Очистка газов в сталеплавильном производстве

Очистка отходящих газов мартеновских и двухванных печей

Характеристика запыленности отходящих газов. Основная доля вредных выбросов в атмосферу поступает с отходящи­ми газами. Отходящие газы состоят из продуктов сгорания топлива, газообразных продуктов реакций, протекающих в ванне, газовыделений из нагреваемой шихты и большого количества высокодисперсной пыли. Газовый тракт печи до газоочистки имеет большую протяженность и включает такие элементы, как вертикальные каналы печи, шлаковик, регенераторы, боров и котел-утилизатор. В связи с неплот­ностью стен газового тракта, который находится под разре­жением, по тракту имеют место значительные подсосы воздуха. Это приводит к тому, что количество, состав, за­пыленность и температура газов перед газоочисткой сущест­венно отличаются от начальных, на выходе из печи. В сред­нем на 1 т стали величина выбросов газов равна 2800 м³/т при температуре 290°С. Температура газов снижается с 600 – 700°С на выходе из печи до 250 – 300 °С перед газо­очисткой.

Средний состав газов при подаче кислорода в факел: %: СО₂ 10 – 15, Н₂О 16 – 17, О₂ 6 – 7, остальное N₂.

Запыленность газов меняется по ходу плавки и резко возрастает с увеличением расхода кислорода на продувку ванны. Кроме того, на пылеобразование заметное влияние оказывает конструкция и число кислородных фурм, темпе­ратура металла, скорость выгорания углерода и т.д.

В периоды завалки и прогрева шихты запыленность со­ставляет 1,5 – 3 г/м³. Пыль крупная, образованная в ре­зультате механического и термического разрушения желез­ной руды, известняка и других материалов. Основной вынос пыли происходит в период плавления, когда идет про­дувка ванны кислородом. Максимальная запыленность 50 г/м³ соответствует середине периода продувки. Пыль возгонного происхождения.

Усредненный дисперсный состав пыли: частиц размером менее 1 мкм содержится 60%, размером 1,5 мкм — 34%, размером более 5 мкм — 6 %. Средний медианный размер d₅₀ 0,2 – 0,4 мкм.

Основная часть — оксиды железа. Цвет дыма — бурый.

В период доводки и последующей полировки, несмотря на продувку кислородом, запыленность составляет не бо­лее 4 – 8 г/м³.

Удельные выбросы пыли 5 – 8 кг/т стали. Запыленность газов и дисперсный состав пыли изменяются по мере дви­жения по тракту от печи до газоочистки. Больше половины всей массы пыли осаждается в шлаковике и регенераторах.

На входе в газоочистку запыленность газов во время продувки кислородом 3 – 6 г/м³, а между продувками со­ставляет 0,4 – 0,7 г/м³. Примерный химический состав пыли, соответствующий периоду продувки, %: Fе₂О₃ 92,7%, А1₂О₃ 0,9%, СаО 1,65%, МgО 0,9%, МnО 1,1%, SiO₂ 0,8%.

Удельное электрическое сопротивление пыли 10⁷ – 10¹⁰Ом×см при температуре 20 – 300°С, т.е. пыль по УЭС относится ко второй группе пылей, которые хорошо улавли­ваются в электрофильтрах.

Среди других вредностей газы мартеновской плавки со­держат 200 – 400 мг/м³ оксидов азота, т.е. больше, чем в любом другом металлургическом переделе, и 30 – 50 мг/м³— оксидов серы, выброс которых длится 10 – 30% времени плавки.

Схемы мартеновских газоочисток. За всеми крупными печами газы проходят охлаждение в котлах-утилизаторах и очищаются от пыли перед выбросом в атмосферу в скруб­берах Вентури или электрофильтрах (рис. 105). Газовый тракт при этом является ступенью грубой очистки, где осаждается крупная фракция пыли.

В схемах с мокрой очисткой устанавливаются блоки высоконапорных труб Вентури цилиндрического или прямо­угольного сечения с регулируемым сечением горловины.

Плотность орошения в трубах поддерживается на уров­не 1,0 – 1,3 л/м³.

Опыт применения электрофильтров типа УГ показал высокую степень очистки 98 – 99%. Отсутствие специаль­ного цикла оборотного водоснабжения, меньшие удельные энергозатраты на очистку, невысокие эксплуатационные расходы, делают схему сухой электроочистки более выгод­ной, чем мокрая.

Схема газоочисток двухванных печей. Количество отхо­дящих газов двухванных сталеплавильных агрегатов на 1 т выплавляемой стали примерно соответствует мартеновско­му производству. В связи с более высокой интенсивностью продувки кислородом содержание пыли несколько больше, чем в мартеновских газах. Объемный расход газов в тракте увеличивается примерно в 4 раза. Связано это с тем, что в связи с отсутствием регенераторов, газы двухванных печей после шлаковика при температуре 1400 – 1500°С охлажда­ются вначале впрыском воды в боров до 900 – 1000°С, а затем организованным подсосом холодного воздуха через специальные люки до 700°С.

Как химический, так и дисперсный состав пыли, в кото­рой частиц фракции до 3 мкм более 70%, мало отличаются от мартеновской.

В связи с этим схемы газовых трактов двухванных пе­чей, как и мартеновских, выполняются со скрубберами Вен­тури или с электрофильтрами типа УГ или ЭГА.

На некоторых заводах охлаждение газов с 700°С до 200 – 250°С перед подачей в электрофильтр осуществляется в испарительном форсуночном скруббере. Запыленность газов перед скруббером или котлом-утилизатором примерно 7 – 8 г/м³, после очистки на выходе из дымовой трубы – 90 – 100 мг/м³.

Очистка конвертерных газов

Состав и количество отходящих газов зависит от спосо­ба отвода (с дожиганием или без дожигания СО) и конст­рукции охладителя газов.

Удельный расход газов для различного состава шихты и флюсов находится в пределах 70 – 90 м³ на 1 т стали. В зависимости от интенсивности продувки кислородом удельные выбросы составляют от 13 до 25 кг/т при подаче руды и 21 – 32 кг/т при подаче руды и лома. Дисперсный состав пыли также зависит от интенсивности продувки. При увеличении подачи кислорода с 3 до 6 м³/т мин количество крупной фракции увеличивается вдвое. Способ отвода — с дожиганием или без дожигания СО — практически не ска­зывается на составе пыли. К концу продувки содержание мелких фракций пыли растет. Пример динамики весового распределения частиц пыли в период продувки дан в табл. 14 (по данным ВНИПИЧерметзнергоочистка).

Плотность пыли 4,0 г/см³.

Основная масса пыли перед газоочисткой при полном дожигании состоит из Fе₂О₃, а при частичном дожигании из FеО. Средняя концентрация пыли в конвертерных газах составляет 150 – 350 г/м³. При любом способе отвода и охлаждения газов газоочистка должна снизить концентра­цию пыли на выходе из трубы до такого уровня, чтобы ее концентрация в приземном слое не превышала санитарную норму (ПДК).

При отводе газов по схеме без дожигания содержание СО более 85%. Высокая вероятность образования взрыво­опасных концентраций газа послужила тому, что около 80% всех кислородно-конвертерных цехов были оборудова­ны схемами мокрой газоочистки.

Таблица 14. Дисперсный состав пыли перед газоочисткой при полном дожигании СО

Схема мокрой газоочистки. Основными аппаратами мо­крых схем газоочистки являются скрубберы-охладители, скрубберы Вентури с различного рода сепараторами ка­пель, а также мокрые электрофильтры.

Первой ступенью газоочистки мокрого или сухого типа, как правило, является скрубберный охладитель — полый цилиндр с форсунками по высоте и бункером внизу. Они широко применяются при температуре газов перед аппара­том достигающей 600 – 700°С, а в некоторых случаях и 1200 – 1400°С. В процессе охлаждения газов в них одновре­менно идет и осаждение крупных фракций пыли. В зависи­мости от количества воды, идущей на охлаждение, скруббе­ры делятся на водяные и испарительные.

Водяные срубберы выполняются по прямоточной и про-тивоточной схеме. Роль прямоточного скруббера иногда играет наклонная часть газоотводящего тракта, в верхней части которого производится впрыск воды. Газ и вода дви­жутся в одном направлении. Температура воды в такого рода скрубберах всегда ниже температуры газов. Интенсив­ность орошения до 5 – 8 кг/м³, скорость газов 12 – 20 м/с, температура газов на выходе до 60 – 80°С.

В противоточных вертикальных цилиндрических скруб­берах скорость газов принимают 1,5 – 2 м/с при температу­ре газов на выходе. В зависимости от температуры газов на входе стенки скруббера футеруются или нет. Например, после радиационного котла-охладителя температура газов на входе в скруббер достигает 1100 – 1300°С, а это требует защиты металла футеровкой. Плотность орошения в водя­ных скрубберах достигает 15 – 20 кг/м³.

В испарительных скрубберах количество подаваемой воды таково, что вся вода испаряется, охлаждая тем самым газ до 70 – 250°С. Такие аппараты часто устанавливают пе­ред высоконапорной трубой Вентури.

В скрубберах Вентури малого сопротивления (2 – 4 кПа) в результате адиабатного расширения в конфузоре капли испаряются, при этом происходит быстрое пересыщение водяного пара, а затем в горловине и диффузоре трубы — медленная конденсация. Пар конденсируется на частицах пыли, ускоряя их коагуляцию. Наибольший эффект пыле­улавливания достигается в тех случаях, когда на выходе из трубы Вентури температура газов близка температуре точ­ки росы 70°С. Расчетная скорость в горловине труб 40 м/с. При отклонении от расчетного режима эффект конденсации снижается.

Высоконапорные скрубберы Вентури (8 – 15 кПа) вконвертерных схемах имеют разнообразное конструктивное ре­шение. От батареи из нескольких десятков малых труб с диаметром горловины 90 мм до одиночных труб большого диаметра. По условиям обслуживания схемы с одиночными трубами более удобны и надежны в эксплуатации. В схе­мах с отводом газов без дожигания трубы выполняют с регулируемым сечением горловины. Независимо от расхода газов в таких трубах можно поддерживать постоянную ско­рость в горловине.

В схемах очистки газов конвертеров емкостью 300 т и выше применяются прямоугольные трубы Вентури, сече­ние горловины которых регулируется подвижными створка­ми. Орошение пленочное по периметру с подачей воды в переливные карманы и с помощью форсунок, расположен­ных по центру трубы (рис. 106).

В мокрых схемах газоочистки при отводе с дожиганием СО есть опыт применения в качестве второй ступени очист­ки мокрых электрофильтров. Предварительно перед элект­рофильтром газы охлаждаются в скруббере до температуры полного насыщения влагой 70°С. Электрофильтр с трубча­тыми осадительными электродами (448 труб диаметром 245 мм) при скорости газов около 2,5 м/с обеспечивает сте­пень очистки до 99%. Электрофильтры такого типа нужда­ются в надежной системе обмывки электродов во избежание наростов пыли и связанных с этим электрических про­боев.

Отличительной особенностью и недостатком мокрых схем является необходимость создания оборотной системы воды с очисткой шламовых вод. Это значительно увеличи­вает стоимость очистки газа в простых аппаратах мокрой схемы. Вместе с тем это стимулирует разработку надежных схем и аппаратов сухой очистки, лишенных недостатков мокрых схем.

Схемы сухой очистки газов. Схемы основаны на сухих электрофильтрах и тканевых рукавных фильтрах. Сухие электрофильтры в схемах конвертерных газоочисток на отечественных заводах еще не применялись. Сухие электрофильтры применяются не только в схемах с полным дожи­ганием, но и в схемах с частичным (a = 0,3) или без дожи­гания. Перед подачей в электрофильтр газ кондиционируют впрыском воды.

Взрывобезопасность системы обеспечена рядом конст­руктивных особенно-стей аппарата. Корпус цилиндрического сечения диаметром 9,7 м без пылевых бункеров, что пре­дотвращает образование застойных зон. Пыль удаляется конвейером периодически, между продувками кислородом. Снаружи фильтр покрыт теплоизоляцией, что обеспечивает стабильность температуры газов (около 200°С). Корпус рассчитан на возможные взрывы газовой смеси с резким возрастанием давления до 200 кПа. Опыт промышленной эксплуатации показал, что такого уровня давления во вре­мя хлопков не достигается. Кроме того, на крышках корпу­са предусматриваются предохранительные клапаны на 2 кПа.

Три электрических поля состоят из 30 рядов С-образных осадительных и игольчатых коронирующих электродов. Скорость газов в аппарате 1,5 м/с, напряжение 45 – 60 кВ при плотности тока 0,3 – 0,5 мА/м². При входной запыленности до 100 г/м³ степень очистки достигает 99,9%.

Сравнение мокрых и сухих схем чаще говорит в пользу последних. В табл. 15 для примера приведены эксплуатаци­онные показатели двух схем очистки газа с использованием в качестве второй ступени скруббера Вентури и сухого электрофильтра.

Срок окупаемости капитальных затрат на сухую очист­ку 1 – 2 года.

Для очистки конвертерных газов за рубежом начинают применять тканевые рукавные фильтры (рис. 106, в). Интерес к ним возник в связи с получением тканей требуемых свойств.

В одном из фильтров с использованием материала тка­ни типа «тергаль» удалось обеспечить остаточную запылен­ность до 20 мг/м³ при температуре до 145°С за 50 т кон­вертером. Система регенерации — встряхиванием.

К недостаткам рукавных фильтров относятся большие габариты аппаратов, связанные с низкой удельной нагруз­кой на ткань, и повышенный расход электроэнергии на 1 т выплавленной стали.

Очистка газов электросталеплавильных печей

Количество и состав газов, образующихся в процессе плавки в дуговых печах зависит от состава шихты и коли­чества подаваемого интенсификатора — кислорода.

Отходящие газы дуговых электропечей отводятся одним из трех способов: от четвертого отверстия в своде, через арку рабочего окна или от зонта, расположенного над печью. В зависимости от способа отвода в газоотводящий тракт печи подсасывается различное количество воздуха, что сказывается на составе и концентрации пыли в газе. Устранить подсосы полностью невозможно, так как при подъеме и повороте свода и наклоне ванны, герметичность газового тракта нарушается. Кроме того, подсос необходим для дожигания СО. Удельный выход газов при отсосе че­рез четвертое отверстие в своде составляет 80 – 110 м³/т, а при отводе под зонт 350 – 450 м³/т. В отходящих газах со­держится, %: СО 15 – 25; СО₂ 5 – 11; Н₂ 0,5 – 3,5; О₂ 3,5 – 10.

Средняя концентрация пыли в газах составляет 15 – 30 г/м³, а удельный вынос пыли 6,5 – 9,5 кг/т стали. При­чем меньшие значения соответствуют печам максимальной емкости — более 100 т, а большие значения — печам емкостью 5 т Период максимального пылевыделения длится около 30 мин. Основная масса пыли (до 70%) с размером частиц до 3 мкм, и состоит на 60 – 80% из оксидов железа.

Дисперсный состав пыли по периодам плавки меняется мало. Пример дисперсного состава при плавке хромистых и среднеуглеродистых сплавов приведен в табл. 16.

Для пыли электросталеплавильных печей характерно лсокое удельное электросопротивление до 10¹¹ Ом×см.

Кроме оксидов углерода в составе отходящих газов со­держатся оксиды азота до 300 г/т стали.

В связи с большой величиной подсосов по газовому тракту и под зонт, приходится увеличивать размеры газоочистки, мощность дымосомов и т.д. Поэтому одной из наиболее важных задач является задача сокращения объ­ема газов, идущих на очистку. Для этого же применяются специальные уплотнения электродных зазоров и рабочих окон.

В большинстве случаев схема газоочистки дуговых элек­тропечей состоит из ступени предварительного охлаждения газов и последующей тонкой очистки (рис. 107).

Опыт очистки газов в сухих электрофильтрах пока не велик. Причина в небольших расходах газов и трудности улавливания высокоомной пыли. Однако опыт установки электрофильтра за крупной (200 т) печью показал целесообразность их применения на печах такой емкости.

Хорошие результаты дает вариант с комбинированной схемой газоочистки. Газы, отводимые от четвертого отвер­стия в своде печи после дожигания СО и охлаждения в скруббере, подаются вентилятором на группу высоконапор­ных труб Вентури с центробежным сепаратором-каплеуловителем. Разбавленные газы неорганизованных выбросов, поступающие под зонт над печью, очищаются отдельно в тканевом рукавном фильтре.

Перспективной для большегрузных печей (150 – 250 т) является схема с укрытием всей печи в специальный ко­жух. Для снижения температуры поток горячего газа от подсводового пространства смешивается с газом из-под кожуха. Затем газовоздушная смесь с температурой не выше 130°С объемом 500 – 550 тыс. м³/ч поступает на очи­стку в рукавные фильтры.

Таблица 16. Дисперсный состав пыли ДЭСП по периодам плавки