应用气象学第七章冶金、矿井和石油与气象

2019/8/161第七章冶金、矿井和石油与气象2019/8/162概述冶金、矿井和石油工业属基础原材料和燃料工业，企业规模大、生产战线长、综合性强，露天作业占相当比重，受天气环境制约，生产过程中将遇到各种气象问题，同时从设计、计划、管理、设备等方面考虑如何应用气象信息，趋利避害，提高工效和经济效益，改善劳动条件，具有很大的潜力和重大价值，随着生产规模的扩大，科技含量的增进，冶金、矿井和石油工业将会越来越感到气象服务的迫切需求。2019/8/163本章主要内容§1冶金与气象§2矿井与气象§3石油与气象2019/8/164本章重点、难点本章重点：大气腐蚀、高温作业环境、热应急效应、矿井通风、矿井瓦斯、煤炭自燃和采油适宜期等概念。金属表面大气腐蚀影响因子分析，矿井瓦斯爆炸气象条件分析，气象条件对石油勘探、钻井和采、输、炼的影响。本章难点：大气腐蚀机制，自然压力和矿井风量的计算。2019/8/165冶金与气象冶金工业包括矿山开采、选矿、冶炼、加工等主要部门；作为连续性大生产，综合性强，大气污染物排放量大，是受气象条件影响明显的部门，生产调度要求充分掌握气象信息，进行长期生产发展规划，短期不失时机地安排作业计划，进行正确的指挥、决策，充分利用有利天气，规避不利天气或事先采取防御措施。冶金工业是指对金属矿物的勘探、开采、精选、冶炼、以及轧制成材的工业部门。包括黑色冶金工业（即钢铁工业）和有色冶金工业两大类。2019/8/166冶金与气象一、冶金工业大气污染二、冶金企业专业气象服务三、大气腐蚀四、高温作业环境对人的影响和防护2019/8/167冶金工业大气污染冶金工业废气（包括气溶胶）主要分为三类：生产工业过程中-----化学反应排放的废气；燃料在炉窑中燃烧-----产生烟气和有害气体；原料和燃料在运输、装卸、储、加工、清理精整过程中-----产生烟尘。2019/8/168冶金工业大气污染废气治理难度大，原因是：※废气温度高（400-1000℃），对管道材料，组件结构以及净化方式的选择有特殊要求。※冷却处理技术难度大，烟气中含有硫、水分和一氧化碳，必须解决水汽结露，粉尘防火防爆问题。※烟气阵发性强，且无组织排放（厂房、天窗）量大。废烟气同时具有一定的回收利用价值。“湿、蚀、变”在各种工业炉窑的能量支出中，废气余热约占15%～35%2019/8/169冶金工业大气污染在劳动保护和环境保护方面，冶金企业面临着艰巨的任务。其中充分利用气象信息进行合理排放、科学治理是气象专业服务工作的重要方面。2019/8/1610冶金企业专业气象服务冶金企业的主要生产过程一般对天气不太敏感，总的来说，天冷和微风气候条件比较适宜，高温、高湿下工作效率易受影响，妨碍职工健康，加重负荷和空调功率。2019/8/1611冶金企业专业气象服务降水：入炉原料、燃料的含水量、因大量吸热而影响冶炼强度的提高和燃料比的降低、炼钢厂整模、工程进度、保证质量、新建高炉、焦炉的开工投产及大修、中修、暴漏在外的炉体。直接影响生产过程的天气、因素环境湿度：无喷吹燃料技术---加湿鼓风喷吹燃料技术---脱湿鼓风大风高炉喷吹燃料(fuelinjectionintoblastfurnace)，将气体、液体或固体燃料通过专门的设备从风口喷入高炉，以取代高炉炉料中部分焦炭的一种高炉强化冶炼技术。2019/8/1612冶金企业专业气象服务为了对冶金企业全面深入地开展专业气象服务工作，必须深入到冶金企业各个生产部门、生产环节和具体生产工序，与生产管理和调度部门密切配合，建立起冶金企业专业气象服务计算机系统，着重进行专业气象检索、气象咨询服务、灾害性危险性天气警报服务，把气象服务与生产调度，管理融为一体，对重要天气进行自动输入、警报提示，各种预报随机文件处理以及调度值班管理层层落实，防患于未然。主要影响天气包括：大风、暴雨、高温、大雪、低温、雷暴等，做到安全渡汛，不停炉，不停电，不水淹，运输畅通，料场不流失，防风、防寒、防暑降温。2019/8/1613大气腐蚀大气腐蚀:大气腐蚀主要是大气中的氧和水分的作用。在污染大气中，硫化物、氯化物，二氧化碳等气体和煤烟、盐粒、尘埃会加剧大气腐蚀的进程。我国1993年因腐蚀造成的损失达一千多亿元，其中以金属腐蚀为主。每年因腐蚀报废的金属设备和材料相当于金属年产量的20%-40%，而大气腐蚀约占总金属腐蚀的一半。2019/8/1614大气腐蚀金属表面大气腐蚀的机制金属表面大气腐蚀的影响因子大气腐蚀的分类大气腐蚀的防护2019/8/1615金属表面大气腐蚀的机制金属表面的大气腐蚀起因于大气温度、湿度条件下表面形成电解液膜引起的电化学腐蚀。降水、相对湿度较高环境金属表面形成水膜电解质溶液SO2、NO2、CO2等酸性气体和盐类2019/8/1616金属表面大气腐蚀的机制由于液膜很薄，它不同于浸没在电解液中的电化学腐蚀过程，虽然氧在水中溶解度很低，但空气中的氧可以不断地向液膜供给，并通过液膜到达金属表面。这时液膜中的阴极过程主要表现为氧的去极化作用。OHeHO222221酸性介质OHeOHO2222122中性或碱性介质当金属表面干湿交替时，腐蚀率特别大。瞬时腐蚀速率随温湿条件而明显变化。2019/8/1617金属表面大气腐蚀的机制1、钢试片半浸在水中，为什么“水线”部分最容易腐蚀？这在实际中有何重要意义？讨论：2019/8/1618金属表面大气腐蚀的机制对于干燥的空气，虽然其中的氧及少量硫蒸气和氯气，仍可产生化学腐蚀，但并无通常意义下的电极反应，此时在金属表面形成氧化物反应过程。neMMnee金属）(22221OeOneneOMnOM2222019/8/1619金属表面大气腐蚀的影响因子空气湿度---空气中的相对湿度f是决定金属表面大气腐蚀的基本因子。空气温度大气中的污染气体大气气溶胶2019/8/1620金属表面大气腐蚀的影响因子---相对湿度f在10%-30%之间时：金属表面电化学反应受抑制，不可能发生溶液电极反应，只能出现轻度的干燥氧化作用；f在40%-60%之间时：在表面可形成2-3个分子层厚的吸附水分子膜，相应的大气腐蚀很弱，并局限于吸附的污染点上；f＞65%时：表面可形成水膜，其性质与水相同，可发生明显的腐蚀作用。对许多金属来说，通常把fc=60%作为产生大气腐蚀的临界相对湿度。2019/8/1621金属表面大气腐蚀的影响因子---相对湿度钢铁腐蚀速度与相对湿度的关系图2019/8/1622金属表面大气腐蚀的影响因子---空气温度气温升高，因化学反应增强而使腐蚀速率增加，一般气温低于0℃，腐蚀速率可忽略。但由于大气中水分含量不变时，随气温增高，相对湿度减小，相应又将使腐蚀速率减缓，故存在相应于最大腐蚀速率的温湿度条件。有资料证明：温度每提高10℃，钢铁的腐蚀就增加1倍。2019/8/1623金属表面大气腐蚀的影响因子---空气温度tfA)504.1(10065Brooks（1950）建立腐蚀损伤经验公式：A为腐蚀指数，我国黄河秦岭以南A值在0.4--0.5之间，7月普遍增大，比1月增1—2倍，黄淮平原、长江中下游、南岭以南和四川盆地最为严重。2019/8/1624金属表面大气腐蚀的影响因子---空气温度2019/8/1625金属表面大气腐蚀的影响因子---大气中的污染气体城市工业区的大气中含有SO2、H2S、NO2、NH3、CO2、CL2、O3等有害污染气体，他们可形成稀酸，对铁、铜、锌等产生严重腐蚀。在大气腐蚀中，大气酸沉降的影响最为显著。大气腐蚀与污染气体的浓度密切相关。2019/8/1626金属表面大气腐蚀的影响因子---大气气溶胶主要是烟灰、盐粒和尘埃。它们通过吸湿和毛细凝聚作用在金属表面维持湿润和形成酸性溶液，促进金属表面的电化学腐蚀作用。有些烟灰还可以引起电偶腐蚀作用（不同金属材料接触形成原电池作用引起）。2019/8/1627大气腐蚀的分类干大气腐蚀（无液膜）；潮湿大气腐蚀（f＜100%，肉眼看不见水膜）；湿大气腐蚀（表面出现可见凝结水膜）。按相对湿度可把大气腐蚀分为：按不同环境大气的污染成分和含量变化，可把大气的腐蚀性分成三种类型：乡村大气；城市大气；海洋大气。2019/8/1628大气腐蚀的分类氯化物沉积率高，5-50mg/（m2·d），海岸附近高达150mg/（m2·d）乡村大气：二氧化硫的沉积率≤10mg/（m2·d），氯化物（主要是NaCL）沉积率≤5mg/（m2·d）；城市大气：二氧化硫的沉积率10-80mg/（m2·d），其中工业区尤其是污染源（烟囱）附近可高达200mg/（m2·d）；海洋大气：2019/8/1629大气腐蚀的分类如何解释钢桩在海水环境中不同区段腐蚀速率分布？2019/8/1630大气腐蚀的分类深水盐溶液中钢腐蚀速率在通常大气条件下，3-6%的Nacl水溶液的腐蚀性是最强的。一般做腐蚀试验，常用3-5%的Nacl水溶液。海水含盐量为3-3.5%，因此具有强腐蚀性。2019/8/1631大气腐蚀的分类不同腐蚀性大气对主要金属的大气腐蚀率钢锌铝*铜乡村大气5-100.5-1＜0.1＜1海洋大气10-300.5-20.4-0.61-2城市或工业区10-601-1011-3*点腐蚀，常较均匀腐蚀更具危害性，大多数金属都可产生点腐蚀，尤以铝表面最为显著。2019/8/1632大气腐蚀的防护把金属设备和材料置于遮蔽或覆盖之下，以避免雨淋；降低使用和贮存环境的空气相对湿度至临界值以下，减少环境污染气体浓度，及时清除金属表面灰尘（主要用于对仓储金属制品的保护）；针对性地使用大气缓蚀剂；对精密仪器和设备，还可采取干洁空气封存；使用铝塑薄膜、厚聚乙烯薄膜封套包装。2019/8/1633大气腐蚀的防护气象部门根据当地的气候特征，考虑金属设备和材料的使用贮存条件，提供中长期湿度资料和预报服务，还应包括降水量分布变化及其PH值，SO2和CL-沉积率估计等，并为涂刷缓冲剂提供有关大气环境的气象咨询服务，如大气成分，空气温、湿度，降水量和日照（接触性缓蚀剂常受日光退化影响）。2019/8/1634高温作业环境对人的影响和防护冶金企业的炼铁、炼钢、轧钢、锻压等生产环节，常处于高温强辐射环境下作业，产业工程中将热源散热量＞89.72KJ/(m2·h)的环境称为高温作业环境。在高温作业环境下，人体通过呼吸、出汗和体表血管的扩散等方式向体外散热调节体温以适应作业环境。若人体产热量仍大于散热量时，将导致体内热积蓄，促使呼吸和心率加快，皮肤表面血管和血流量急剧增加，有时可达至常值的7倍之多，此现象称为热应急效应。2019/8/1635高温作业环境对人的影响和防护产业工程中遇到的高温作业环境，一般可分为三种基本类型：（1）高温强辐射作业（2）高温高湿作业（3）夏天露天作业环境有效温度：17-22.5℃，以此为基数，当环境温度达25.3℃时，男性事故率上升为140%，女性增至108%。2019/8/1636高温作业环境对人的影响和防护为改善热环境的影响，必须从生产技术、工艺过程、生产组织和保健措施等各方面积极控制和改进。尽量将热源布置在车间外部或天窗下或夏季主导风向的下风；在热源和操作者之间设置屏障。当相对湿度超过50%时，人体通过蒸发汗液的散热功能降低，若遇某些作业环境限制气温调解，则可采用降湿调解，在通风器中设置去湿剂或适当提高气流速度，合理布置自然通风的门窗、进风排风的风口。2019/8/1637矿井与气象矿井空气成分变化和通风调节要求矿井气候矿井自然通风和强制通风露天矿气象煤矿瓦斯爆炸的气象条件分析和预报煤炭自燃及其预报煤尘爆炸2019/8/1638基础知识介绍我国原煤产量是世界产量的35%，却占了世界煤矿工人死亡人数的80%。中国煤矿百万吨死亡率2.041，现在发展中的煤炭大国，比如印度、南非、波兰，他们在0.5左右，我们是2.04，他们是0.5，也就是他们的4倍。先进国家，像美国、澳大利亚就更低了，大概是0.01--0.05，我们现在是它的40倍--150倍，英国矿工自2002年至今一直保持