А.Л. Николаев
ТЕХНОЛОГИИ ОСНОВНЫХ ПРОИЗВОДСТВ
В ПРИРОДОПОЛЬЗОВАНИИ
Учебное пособие
Под редакцией
доктора технических наук, профессора
В.В. Сенкуса
Новокузнецк 2003
удк 502.075
ББК 30.6
Н63
Печатается по решению методического совета Новокузнецкого филиала-института Кемеровского государственного университета.
Рецензенты:
кафедра металлургии стали
Сибирского государственного индустриального университета
(заведующий кафедрой, доктор технических наук, профессор
Протопопов Е.В.);
начальник управления информационных технологий ООО «Сталь КМК»,
доктор технических наук, профессор Кошелев А.Е.
Николаев А.Л.
Н63 Технологии основных производств в природопользовании: Учеб. пособие / НФИ КемГУ; Под ред. проф., д-ра техн. наук В.В. Сенкуса. – Новокузнецк, 2003. – 158 с.
ISBN 5-8353-0211-8
В учебном пособии на основе современных представлений рассмотрены основные производства, связанные с переработкой природных ресурсов. Даны характеристики сырых материалов и способы их подготовки, описание типовых технологических процессов и сопровождающих их техногенных загрязнений, а также характеристики образующихся отходов.
Пособие предназначено для студентов эколого-экономических специальностей вузов и может быть полезным для общеинженерной подготовки студентов и специалистов различных отраслей народного хозяйства.
УДК 502. 075
ББК 30.6
| ISBN 5-8353-0211-8 | © Новокузнецкий филиал-институт Кемеровского государственного университета, 2003 |
СОДЕРЖАНИЕ
СОДЕРЖАНИЕ.............................................................................................................. 3
ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................... 6
1 СТРУКТУРА НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА 9
2 Природные ресурсы. Сырье и энергия народном хозяйстве 13
2.1 Общая характеристика................................................................................ 13
2.2 Перерабатываемое сырье........................................................................... 14
2.3 Топливо............................................................................................................ 15
2.3.1 Общие сведения........................................................................................... 15
2.3.2 Общая характеристика состава твердого топлива...................... 17
2.3.3 Нефть............................................................................................................ 18
2.3.4 Природный газ............................................................................................. 19
2.3.5 Сжигание топлива.................................................................................... 19
2.4 Вода................................................................................................................... 21
2.5 Воздух............................................................................................................... 22
2.6 Энергия............................................................................................................. 23
3 Шихтовые и футеровочные материалы И ИХ ХАРАКТЕРИСТИКИ 26
4 Обогащение и окускование полезных ископаемых......... 29
4.1 Общие сведения.............................................................................................. 29
4.2 Подготовка к обогащению.......................................................................... 31
4.2.1 Дробление и измельчение.......................................................................... 31
4 2.2 Грохочение и классификация.................................................................. 34
4.3 Обогащение..................................................................................................... 35
4.4 Окускование концентратов и мелочи полезных ископаемых 37
4.4.1 Агломерация................................................................................................. 37
4.4.2 Производство окатышей........................................................................ 39
4.5 Загрязнение окружающей среды.............................................................. 42
5 Металлургия...................................................................................................... 44
5.1 Общие сведения.............................................................................................. 44
5.2 Гидрометаллургия........................................................................................ 47
5.3 Пирометаллургия черных металлов........................................................ 50
5.3.1 Сырьевая база............................................................................................. 50
5.3.2 Производство чугуна................................................................................. 51
5.3.2.1 Устройство доменной печи и схема производства чугуна......... 51
5.3.2.2 Основные процессы и продукты доменной плавки........................ 53
5.3.2.3 Интенсификация и технико-экономические показатели доменной плавки 55
5.3.3 Сталеплавильный передел....................................................................... 57
5 3.3.1 Общая характеристика........................................................................ 57
5.3.3.2 Кислородно-конвертерный процесс.................................................. 57
5.3.3.3 Электросталеплавильное производство......................................... 61
5.3.3.4 Мартеновский процесс......................................................................... 64
5.3.3.5 Внепечная обработка и разливка металла...................................... 66
5.3.4 Прямое получение железа........................................................................ 69
5.3.5 Производство ферросплавов.................................................................. 72
5.4 Металлургия меди......................................................................................... 74
5.5 Металлургия алюминия.............................................................................. 79
5.6 Утилизация вторичных ресурсов.............................................................. 82
6 Литейное и прокатное производство............................................. 87
6.1 Литейное производство............................................................................... 87
6.1.1 Литейные материалы и их плавка........................................................ 87
6.1.2 Литейные формы, охлаждение и выбивка отливок......................... 88
6.2 Обработка металла давлением................................................................. 90
6.3 Утилизация отходов..................................................................................... 92
7 технология неорганических вяжущих веществ................. 93
7.1 Портландцемент............................................................................................ 93
7.2 Строительная известь................................................................................... 94
7.3 Гипсовые вяжущие........................................................................................ 96
8 Промышленность строительных материалов и изделий 98
8.1 Определение, классификация и свойства строительных материалов 98
8.2 Искусственные неорганические строительные материалы 100
8.2.1 Безавтоклавный бетон........................................................................... 100
8.2.2 Железобетон............................................................................................. 100
8.2.3 Керамика.................................................................................................... 101
8.2.4 Стекло и изделия из минеральных расплавов.................................. 102
8.2.5 Волокнистые материалы...................................................................... 104
8.3 Естественные неорганические материалы.......................................... 105
8.4 Искусственные строительные материалы на основе органических вяжущих 106
8.5 Комбинированные строительные материалы.................................... 107
8.5.1 Полимербетоны и бетонополимеры.................................................. 107
8.5.2 Древесно-цементные материалы и изделия..................................... 108
8.6 Утилизация отходов в промышленности строительных материалов 109
9 Производства основной химии....................................................... 112
9.1 Кислоты......................................................................................................... 112
9.2 Минеральные удобрения.......................................................................... 113
9.3 Комплексные удобрения и микроудобрения....................................... 116
9.4 Получение газов.......................................................................................... 117
9.4.1 Разделение воздуха на азот и кислород............................................ 118
9.4.2 Получение водорода и синтез аммиака............................................. 119
9.5 Утилизация отходов................................................................................... 119
10 Химическое производство органических веществ...... 121
10.1 Коксохимическое производство........................................................... 121
10.2 Переработка нефти................................................................................... 123
10.3 Переработка природного газа.............................................................. 126
10.4 Производство полимерных материалов............................................. 126
10.4.1 Химическая переработка древесины с получением целлюлозы 127
10.4.2 Пластмассы............................................................................................ 128
10.4.3 Каучук и резина...................................................................................... 129
10.4.4 Утилизация отходов............................................................................ 131
11 Промышленная инфраструктура.................................................. 134
11.1 Электроэнергетика................................................................................... 134
11.1.1 Значение электроэнергетики и виды электростанций............... 134
11.1.2 Паротурбинные энергетические установки электростанций 135
11.1.3 Газогенераторы тепловых энергетических установок.............. 137
11.1.4 Гидроэлектростанции......................................................................... 139
11.1.5 Передача и распределение электроэнергии................................... 139
10.1.6 Нетрадиционная энергетика............................................................. 140
11.1.7 Воздействие на окружающую среду и утилизация отходов.... 144
11.2 Транспорт................................................................................................... 145
11 2 1 Железнодорожный транспорт......................................................... 146
11.2.2 Автомобильный транспорт............................................................... 147
11.2.3 Водный транспорт............................................................................... 149
11.2.4 Воздушный транспорт........................................................................ 151
11.2.5 Промышленный и трубопроводный транспорт........................... 152
заключение......................................................................................................... 155
СПИСОК ЛитературЫ........................................................................................ 157
ВВЕДЕНИЕ
Природопользование – отрасль металлургического производства и наука, решающая и исследующая проблемы удовлетворения материальных потребностей общества, необходимых для его нормального воспроизводства, интеллектуально-духовного развития в течении неограниченно долгого времени на базе ограниченных природных ресурсов без деградации окружающей среды.
Природопользование представляет синтез многих фундаментальных наук и технологий (физических, химических, биологических) охватывающих народнохозяйственный комплекс, носит межотраслевой характер, рассматривает многие вопросы на высоком уровне абстракций, изучает не всегда четко обозначенные и обширные взаимосвязи технологических, экологических процессов и явлений.
Составными частями природопользования служат поиск, разведка и оценка природных ресурсов, их извлечение и переработка, воспроизводство природных ресурсов, охрана окружающей среды.
Основу природопользования составляют производственные процессы, реализация которых приводит к удовлетворению различных потребностей людей и создает ряд проблем экологического плана. Эти проблемы рассматриваются в специальных научных дисциплинах, вне причинной и непосредственной связи с технологической деятельностью людей. Экологические проблемы, порожденные природопользованием, следует анализировать как составную часть технологической деятельности человеческого общества. Поэтому в курсе, наряду с изложением технологических процессов, рассматриваются сопровождающие их существенные техногенные загрязнения (отходящие газы, пыли, шламы, шлаки и др.), даются характеристики образующихся отходов, освещаются межотраслевые проблемы их утилизации и меры по снижению загрязненности окружающей среды.
Связь между технологией, экономикой и экологией природопользования не вызывает сомнений. Техническое совершенствование производства в одной отрасли неизбежно сказывается на других отраслях. Принципы одной отрасли науки и техники могут быть перенесены в другую. Чтобы от технологических изменений процессов перейти к реальному внедрению технологий в производство, нужны конкретные эколого-экономические обоснования, поскольку процесс непрерывного совершенствования техники и технологии должен подчиняться техническим и экономическим требованиям, а также соответствовать критериям экологической безопасности.
Специфический характер подготовки специалистов в области природопользования, требующий знания проблем отраслей народного хозяйства, которые являются основными источниками загрязнения окружающей среды, определяет круг рассматриваемых вопросов. К ним относятся технологии первого передела, которые производят добычу и переработку природных ресурсов. В этих отраслях образуется большая доля отходов и возникает наибольшее количество загрязнителей окружающей среды. В курсе также рассматривается промышленная инфраструктура (энергетика и транспорт) как наиболее существенный загрязнитель среды.
Разнообразие сырья, оборудования, вырабатываемой продукции обуславливают широкий спектр технологических процессов. При всем многообразии они имеют ряд общих признаков, по которым их можно классифицировать. Наиболее фундаментальная классификация производится по характеру превращений в веществе, исходном сырье, обеспечивающих переработку.
В основе технологий лежат физические и химические превращения.
В физических процессах изменяются форма, размеры, агрегатное состояние и другие физические свойства веществ. Они доминируют при дроблении, измельчении полезных ископаемых, в различных способах обработки металлов давлением, при сушке и в других операциях.
Химические процессы изменяют физические свойства исходного сырья и его химический состав. С их помощью получают металлы, удобрения, спирты, сахара и т.п., которые в чистом виде в сырье не присутствуют. Химические процессы являются основой производства в металлургии, химической промышленности, промышленности строительных материалов и в других отраслях народного хозяйства.
Физико-химические процессы – совокупность взаимосвязанных химических и физических процессов, происходящих в вещественной субстанции. Они широко применяются в обогащении полезных ископаемых, металлургии, органическом синтезе, энергетике, но особенно в природоохранных технологиях (пыле- и газоулавливании, очистке сточных вод и др.).
Биохимические процессы – химические превращения протекающие с участием субъектов живой природы. Они составляют основу жизнедеятельности всех живых организмов растительного и животного мира, на использовании которых построена значительная часть сельскохозяйственного производства и пищевой промышленности. Продуктом биотехнологических превращений, протекающих с участием микроорганизмов, являются вещества неживой природы.
Биологические процессы тесно связаны с биохимическими, но в отличие от них, в биологических процессах воспроизводятся субъекты живой природы.
Ядерные процессы лежат в основе атомной энергетики, ядерного синтеза, ядерного оружия. В них меняются физические и химические свойства веществ, а также происходит переход одних элементов и ядерных частиц в другие, имеют место различные виды ядерных излучений.
Комбинированные процессы – это сочетание двух или более процессов.
По способу организации технологические процессы делятся на периодические, непрерывные и полунепрерывные.
В периодических процессах поступление исходных материалов в переработку осуществляется дискретно, через определенные промежутки времени. После переработки полученный продукт выгружают. Примеры периодических процессов: мартеновское и конвертерное производство стали, обработка металлов давлением и резанием.
Главные недостатки периодического процесса: простои основного технологического оборудования во время загрузки сырья и выгрузки продукта, непостоянство технологического режима в начале и конце цикла переработки.
При непрерывном процессе загрузка исходного сырья в аппарат и выгрузка конечного продукта осуществляются непрерывно. Примеры: перегонка нефти, синтез аммиака, производство цемента, агломерация руд на конвейерных машинах.
В непрерывных процессах исключены простои основного оборудования, вызванные требованиями технологии, нет перерывов в выпуске конечной продукции, устойчивее режим переработки, более стабильно качество готовой продукции, полнее использование вторичных энергетических ресурсов, что служит причиной замены периодических процессов непрерывными.
В полунепрерывных процессах сочетаются непрерывные и периодические стадии. К ним относятся многие технологии металлургического производства, в которых процесс плавки непрерывен, а загрузка исходного сырья и выпуск продуктов плавки осуществляются периодически (доменная плавка). Полунепрерывны некоторые процессы в горно-добывающей промышленности (непрерывная отгрузка угля на поверхность при периодической его выемке из забоев и т.д.).
СТРУКТУРА НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ЭЛЕМЕНТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА
Осуществление технологии возможно только при наличии трех составляющих: предмета, орудия и средства труда.
Предмет труда – материальный объект, к которому прикасается труд человека. К предметам труда относятся сырье, полуфабрикаты, основные и вспомогательные материалы.
Сырье составляет исходную вещественную основу производства любого продукта. Под сырьем понимают продукцию добывающей промышленности и сельского хозяйства. Например, в металлургии к сырью относят руды, в коксохимическом производстве – каменный уголь, в сельском хозяйстве – собранный урожай, в пищевой промышленности – молочную продукцию.
Полуфабрикат – продукт, обработанный на одном или нескольких участках в рамках единого производственного процесса, который должен перейти на другие участки этого производства (предприятия) для окончательной обработки. Полуфабрикаты составляют незавершенное производство предприятия и не имеют отпускной цены.
Основные материалы – сырье, прошедшее обработку и ставшее готовым продуктом, который является объектом технологической обработки на других предприятиях. Основные материалы относятся к завершенному производству и имеют отпускную цену. Обычно к ним относят продукцию обрабатывающей промышленности (металлы, цемент, пиломатериалы, пряжу и т. д.).
Вспомогательные материалы содействуют производству готовой продукции, не определяя его сути. Они присоединяются к сырью и основным материалам для придания им дополнительных потребительских свойств (красители) или способствуют оптимальному ведению технологического процесса (катализаторы).
Четкой границы между сырьем, полуфабрикатами, основными и вспомогательными материалами как между теми или иными конкретными веществами в общем виде не существует. Так, известняк (CaCO3) служит исходным сырьем для производства извести и вспомогательным материалом (флюсом) в целом ряде металлургических процессов. Известь (CaO) является полуфабрикатом для получения оксида кальция, основным материалом при изготовлении строительных изделий, вспомогательным материалом при очистке сточных вод, конечным продуктом в качестве минерального удобрения.
Орудия труда – это материальные объекты, которые непосредственно воздействуют на предмет труда при его переработке. К ним относятся машины и оборудование (металлургические станы, плавильные и нагревательные печи и т.п.), а такие механизмы для перемещения предметов труда в процессе производства (транспортеры, конвейеры, подъемные краны и т.д.).
Средства труда – материальные объекты, которые не оказывают непосредственного воздействия на предмет труда при его переработке, но содействуют осуществлению технологического процесса. К ним относятся производственные здания и сооружения, а также силовые установки, передаточные и другие устройства.
В группу производственных зданий входят корпуса основных и вспомогательных цехов, лабораторий (в них располагают рабочие машины и оборудование), а также помещения, обеспечивающие основное производство (конторы, гаражи, склады, депо и т.п.).
Сооружения – это разнообразные инженерно-строительные объекты, необходимые для выполнения вспомогательных технологических процессов. К ним относятся эстакады, градирни, галереи, бункера, очистные сооружения, резервуары и т.п.
Силовые установки – оборудование для производства или преобразования энергии, которое включает разнообразные двигатели, паровые машины, турбины, электрогенераторы, компрессоры, парокотельные агрегаты, электротрансформаторы и т.д.
Передаточные устройства предназначены для подачи электрической, тепловой, механической энергии от машин-двигателей к рабочим машинам. Эту группу составляют линии электропередач, воздухо- и паропроводов, газовые и водораспределительные сети, трансмиссии и пр.
Орудия и средства труда составляют основные производственные фонды.
Труд (расходование физической силы, умственные и нервные усилия человека) является основой любого технологического процесса. Затраты труда измеряются его продолжительностью, т.е. временем, в течение которого он производится. Они связаны с понятием «производительность труда».
Производительность труда – количество рабочего времени, необходимое для изготовления единицы продукции, либо количество продукции, создаваемое в единицу времени.
Конечным результатом технологического процесса является готовая продукция.
Готовая продукция – изделия или материал, обработка которых на данном предприятии полностью закончена, они соответствуют стандартам, укомплектованы и могут быть отправлены потребителям.
Готовая продукция делится на основную, составляющую цель производства, и побочную, получаемую попутно. Например, в доменном производстве основной продукт – чугун, а побочные – доменный шлак и колошниковый газ, которые используются в народном хозяйстве в качестве одного из компонентов при производстве цемента (шлак) и вторичных энергетических ресурсов (колошниковый газ).
Кроме основных и побочных продуктов в технологических процессах образуются отходы, которыена данном этапе развития науки и техники не используют в качестве исходного сырья потому, что они не отвечают предъявляемым требованиям или их переработка экономически не эффективна, или потенциальные потребители психологически и организационно не готовы к переработке данных отходов, либо не знают об их наличии.
По предмету труда промышленность разделяют на добывающую и обрабатывающую.
Добывающая промышленность занимается извлечением сырья из естественных, природных запасов. Предметом труда в ней являются полезные ископаемые.
Обрабатывающая промышленность превращает продукцию добывающей промышленности (сырье), а также собственную продукцию (основные материалы) в товары с более высокой степенью обработки. Соотношение добывающей и обрабатывающей промышленности России в 1995 г. составляло 24:76 и имело тенденцию к повышению.
По использованию готовой продукции промышленность делят на две группы: А и Б. Группа А производит в основном орудия и средства труда, группа Б выпускает предметы народного потребления (легкая, пищевая промышленность и т.п.).
До недавнего времени в нашей стране на группу А приходилось 75% промышленности. В развитых странах на группу Б приходится 60–80%, что позволяет удовлетворять запросы общества в потребительских товарах и услугах. Чрезмерная доля группы А характерна для тенденции развития производства без должного удовлетворения потребительских запросов населения (делать сталь ради стали, чтобы снова делать сталь). Структурная перестройка промышленности для создания оптимального соотношения между производством и потреблением – кардинальная проблема народного хозяйства России.
Промышленность в совокупности с сельским хозяйством и промышленной инфраструктурой (транспорт, связь), предприятиями торговли, коммунально-бытовой службы составляют производственную среду народного хозяйства.
В непроизводственную среду входят наука, искусство, просвещение, здравоохранение, государственный аппарат управления, армия и некоторые другие структуры.
Вопросы для самопроверки
1 Назовите составные части природопользования?
2 Какие процессы лежат в основе технологических процессов?
3 В чем заключается основное различие между физическими и химическими превращения веществ?
4 Приведите примеры совместного протекания взаимосвязанных физических и химических процессов.
5 Охарактеризуйте сущность периодических, непрерывных и полунепрерывных технологических процессов.
6 Дайте сопоставление достоинств и недостатков непрерывных и периодических процессов.
7 Что такое предметы труда и что к ним относится?
8 Приведите примеры материалов, которые в одинаковой степени могут быть отнесены к различным предметам труда.
9 Что относится к орудиям труда?
10 В чем различие между орудиями и средствами труда?
11 Приведите примеры средств труда для осуществления конкретного технологического процесса.
12 Дайте определения понятиям труд и производительность труда.
13 Что относится к основным производственным фондам?
14 Что является конечным результатом технологического процесса?
15 По каким признакам конечный продукт в технологических процессах относят к отходам?
16 На какие отрасли разделяют промышленность по предмету труда?
17 Какие отрасли промышленности относятся к группе А и Б?
18 На развитие каких отраслей промышленности должна быть направлена ее структурная перестройка?
