Товщик Наталья Олеговна

Факультет экологии и химической технологии

Кафедра руднотермических процессов и малоотходных технологий

Специальность «Экология и охрана окружающей среды»

Разработка метода сухой очистки доменного газа

Научный руководитель: к.т.н., доц. Кочура Владимир Васильевич

Содержание

Доменное производство оказывает существенное влияние на загрязнение окружающей среды, так как при производстве чугуна образуется большое количество газовых выбросов и отходов. Особую ценность имеет доменный газ (ДГ), учитывая это целесообразным и актуальным является его дальнейшее использование, в результате чего происходит улучшение экологической обстановки на предприятиях. Но для того чтобы дальнейшее использование доменного газа стало возможным необходимо отделить от него колошниковую пыль, которая также имеет высокую сырьевую ценность и может использоваться в производстве.

В наше время острой является проблема загрязнения атмосферы, в частности выбросами от металлургических агрегатов. Действующие схемы очистки доменного газа мокрым способом снижают эффективность использования доменного газа в качестве вторичного энергетического ресурса, также из-за насыщения ДГ водяными парами снижается его теплота сгорания, а физическое тепло полностью теряется с водяным паром. Также является проблематичным использование газовой утилизационной бескомпрессорной турбины (ГУБТ) из-за наличия водяного пара. Таким образом, актуальным является перевод доменных печей с мокрой газоочистки на сухую.

На основе анализа и выполненного обзора исследований по данной теме на различных предприятиях разработана технология очистки доменного газа сухим способом, а также разработаны рекомендации по использованию доменного газа в качестве вторичных энергетических ресурсов.

Улучшение экологической обстановки на металлургических предприятиях, снижение расхода воды в доменном цехе, экономия энергетических ресурсов в результате использования доменного газа в качестве топлива.

Разработка технологии очистки доменного газа сухим способом с целью улучшения экологической обстановки на металлургических предприятиях, снижения расхода воды в доменном цехе, экономии энергетических ресурсов, увеличения степени использования вторичных энергетических и материальных ресурсов доменного производства.

Для очистки доменного газа до концентраций пыли не выше 10 мг/м³ на отечественных металлургических заводах применяют многоступенчатые комбинированные схемы.

Как правило, сначала очистку доменного газа проводят в сухих пылеуловителях диаметром 5-8 м, в которых оседают частицы пыли размером 50 мкм и более. В этих аппаратах улавливается 70-90% пыли, содержащейся в доменном газе, благодаря влиянию сил гравитации и инерционных сил, возникающих при повороте газового потока на 180º. Пыль с пылеуловителя удаляется с помощью винтового конвейера, который смачивается водой. Остаточное содержание пыли в доменном газе после грубой очистки не превышает 3-10 м/м³.

Для второй ступени очистки газа используют системы мокрой очистки. Обычно доменный газ из системы грубого сухой очистки поступает на полутонкую очистку газа, где удаляются частицы размером 20 мкм и более и газ очищается до остаточного содержания пыли на выходе 0,6-1,6 г/м³. Полутонкую очистку осуществляют в аппаратах мокрого типа – форсуночных полых скрубберах и трубах Вентури. Газы в доменных скрубберах имеют скорость 1-2 м/с, удельный расход воды, составляет 3-6 кг/м³ газа. Проходя через скруббер доменный газ охлаждается с 250-300ºC до 40-50ºС и полностью насыщается влагой. Степень очистки газа от пыли в скруббере не превышает 60-70%.

После скруббера газ в большинстве случаев поступает в две-четыре малонапорные трубы Вентури, скорость газов в горловине которых равна 50-80 м/с при удельном расходе 0,2 кг/м³. Здесь завершается полутонкая очистка газа.

Тонкую очистку доменного газа, который содержит до 10 мг/м³ пыли, осуществляют в аппаратах 1 класса. В связи с широким внедрением на заводах черной металлургии газорасширительных станций, использующих потенциальную энергию давления доменного газа для выработки электроэнергии в ГУБТ, для тонкой очистки газа обычно применяют аппараты, работающие с малой потерей давления, например мокрый электрофильтр.

Таким образом, в зависимости от наличия или отсутствия ГУБТ, на отечественных заводах обычно применяют две схемы очистки доменного газа:
1) доменная печь – сухой пылеуловитель – форсуночный полый скруббер – труба Вентури – каплеуловитель – дроссельная группа – каплеуловитель – чистый газ потребителю;
2) доменная печь – сухой пылеуловитель – форсуночный полый скруббер – труба Вентури – каплеуловитель – мокрый электрофильтр – чистый газ на получение электроэнергии в ГУБТ.

Эксплуатационные затраты на очистные сооружения доменного цеха зависят в основном от стоимости электроэнергии, водоснабжения и обслуживания [1].

Инновацией ООО НПП «Днепроэнергосталь» в настоящее время является система сухой очистки доменного газа с применением рукавного фильтра с импульсной регенерацией, которая используется для очистки от пыли доменного газа, выделяющегося в процессе работы доменных печей металлургических предприятий, с помощью метода сухой фильтрации через фильтрующие элементы.

Принцип работы системы сухой очистки доменного газа основан на прохождении доменного газа через фильтрующие элементы секций рукавного фильтра, под влиянием разности давлений в межконусном пространстве доменной печи (3,0 атм) и в общезаводских коллекторе чистого доменного газа (1,2 атм) [2].

В мире используют различные схемы очистки доменного газа. Так, например, в США, система очистки доменного газа обычно включает циклон, скруббер и мокрые электрофильтры или двухступенчатый скруббер. Использование мокрых электрофильтров обеспечивает безопасность работы при очистке взрывоопасных газов, но их использование сопряжено с рядом трудностей и одновременно увеличивает эксплуатационные расходы почти вдвое. Кроме того, с точки зрения рационального природопользования более прогрессивными являются способы сухой очистки доменного газа, потому что это снижает общее загрязнение водных и земельных ресурсов при устранении шламового хозяйства, и позволяет исключить из системы оборотного водоснабжения условно грязную воду [3,4].

Исходя из вышесказанного, следует отметить, что в мире разработан ряд аппаратов сухой очистки доменного газа: пластинчатый электрофильтр и металотканевий фильтр, с их помощью газ очищают до остаточного содержания пыли менее 10 мг/м³ при 200-300ºC. При такой температуре доменный газ может быть использован непосредственно потребителями или в ГУБТ для получения электроэнергии. Первая установка сухой очистки доменного газа построена в Финляндии, она оснащена электрофильтром фирмы Лурги, здесь использовался опыт Японии.

В Тибе, Япония, на заводе фирмы «Кавасаки сейтецу» успешно эксплуатируется система сухой очистки доменного газа с использованием рукавного фильтра. Целью внедрения установки сухой очистки доменного газа было повышение мощности ГУБТ в результате повышения температуры газа и уменьшение расходов его напора, а также сокращение эксплуатационных затрат в результате остановки подогревателя и вентилятора, что повышает давление охлажденного газа. Особенностями данной схемы является наличие линий сухого и мокрого пылеулавливания с устройствами для автоматического переключения с одной линии на другую, применение оборудования для охлаждения газа водой, которая распыляется, охладителя на линии первоначального выравнивания давления в шихтовых бункерах, водяного охлаждения редуктора бесконусного засыпного аппарата, турбины, оборудование для удаления цинка с уловленной пыли [3].

Газоочистка сухого типа предназначена для предварительной грубой очистки доменного газа от пыли. Ряд зарубежных фирм (Бишофф, П. Вюрт, Лурги и др.) применяют два пылеуловители – радиальный и тангенциальный. Их суммарный КПД увеличивается до 80-85%, а диапазон по гранулометрическому составу охватывает фракции 50-60 мкм. Кроме того, в сухих пылеуловителях улавливаются преимущественно тяжелые фракции оксидов железа (до 60%) и большие доли кокса (до 20%), на мокрую газоочистку поступает пыль с относительно низким содержанием оксидов железа (20-25%).

На некоторых предприятиях Японии (Nippon Кокап К. К. Fuкuуама ВF № 2, 5, Ogishima-BF №2) и Китая (Shougang соrроrаtion, ВF №2) после пылеуловителей применяют сухие электрофильтры или тканевые фильтры для повышения эффективности работы ГУБТ. Располагаются они параллельно установкам газоочистки мокрого типа, которые остаются в эксплуатации при меньших нагрузках [5].

На заводе «Штальверке Бремен» (Германия) в области очистки колошникового газа с целью оптимизации улавливания пыли применили особую комбинацию новых способов очистки. Имеющуюся систему газоочистки, состоящую из пылеуловителя и скруббера с соплами Вентури с регулируемым кольцевым зазором, заменили осевым циклоном фирмы «Пауль Вюрт», оптимизированным скруббером с соплами Вентури с регулируемым кольцевым зазором и внешним каплеотделителем. Благодаря этой комбинации способов очистки увеличивается эффективность отделения пыли на этапе сухой очистки, что ведет к сокращению нагрузок и расходов на следующую мокрую очистку и подготовку воды.

В традиционном пылеуловителе частицы пыли осаждаются только под действием гравитации и изменения направления потока газа. В этом случае для достижения достаточного осаждения пыли (более 50%) необходимы относительно малые скорости потоков, которые при их соответствующих объемах требует применения пылеуловителей очень большого диаметра. При этом мелкие частицы пыли (более 40 мкм) плохо улавливаются. В отличие от этого метода, отделение частиц пыли в осевом циклоне фирмы «Пауль Вюрт» происходит под воздействием центробежных сил в потоке газа, который вращается с большой скоростью. Это способствует улавливанию более мелких частиц пыли (до 1 мкм) и достижению общей степени осаждения более 85% [6,7].

Очистка доменного газа мокрыми способами

Газоочистительные системы (ГОС) доменного газа на всех предприятиях черной металлургии стран СНГ, как правило включают: пылеуловитель радиального типа для первичного сухой очистки колошникового газа от грубой пыли фракции 80-100 мкм, в котором оседает 25-40% пыли, которая выносится из доменной печи; скруббер с нижним введением газа для полутонкой очистки газа от пыли (в основном > 25 мкм) до 0,5-1,0 г/нм³ и охлаждения газа до 40-45ºС; трубы Вентури с водоотделителем для частичной (при перепаде давления 3-5 кПа) до 50-150 мг/нм³ или окончательной нормативной тонкой (при перепаде давления 20 кПа) до 4 мг/нм³ очистки газа от пыли и охлаждения на 4-5ºС; редукционно-дроссельную группу (РДГ), орошаемую водой, с водоотделителем для регулирования заданного давления на колошнике и очистки попутного газа от пыли до содержания <4 мг/нм³, каплеуловитель для сепарации капельной влаги [8].

С целью использования избыточной механической и тепловой энергии сжатого ДГ для выработки электроэнергии (без затрат топлива) применяется  ГУБТ. После некоторых печей сухая первичная очистка ДГ осуществляется последовательно в радиальном и тангенциальном пылеуловителях с суммарным КПД=80%. После других (в основном малых печей) ДГ очищается по упрощенной схеме, радиальный пылеуловитель – скруббер – РДГ – каплеуловитель. В зависимости от наличия или отсутствия ГУБТ на отечественных предприятиях применяют различные схемы очистки доменного газа.

1 – доменная печь; 2 – сухой инерционный пылеуловитель; 3 – полый форсуночный скруббер; 4 – труба Вентури; 5 – каплеуловитель; 6 – задвижка; 7 – дроссельная группа; 8 – коллектор чистого газа; 9 – мокрый электрофильтр; 10 – подогреватель газа; 11 – ГУБТ; 12 – электрогенератор

Рисунок 7.1 – Схема очистки доменного газа c применением электрофильтра [4]

В связи с широким внедрением на предприятиях черной металлургии газорасширительных станций, которые используют потенциальную энергию доменного газа для выработки электроэнергии в ГУБТ, применение дроссельных групп для тонкой очистки газа становится нерентабельным. Экономически целесообразнее использовать весь возможный перепад давления в ГУБТ, а для тонкой очистки газа применять аппараты, работающие с малой потерей давления, например мокрый электрофильтр типа ДМ (для тонкой очистки доменного газа). Дроссельную группу сохраняют лишь на случай выхода из строя ГУБТ (рис. 7.1).

Вследствие того, что трубчатые электрофильтры типа ДМ работают недостаточно надежно, особенно при высоком давлении газа под колошником, была предложена схема тонкой очистки газа в скрубберах Вентури и использованием его энергии в ГУБТ. После блока с 5-7 труб Вентури устанавливают центробежные скрубберы (каплеуловители), из которых газ отводится в ГУБТ и далее к потребителям. Как обычно, в качестве резерва в ГУБТ сохраняют дроссельную группу с центробежным скруббером. Данная схема характеризуется повышенной надежностью работы; недостаток – потеря части давления газа на преодоление гидравлического сопротивления скруббера Вентури.

.

1 – доменная печь; 2 – сухой инерционный пылеуловитель; 3 – полый форсуночный скруббер; 4 – труба Вентури; 5 – каплеуловитель; 6 – задвижка; 7 – дроссельная группа; 8 – коллектор чистого газа; 9 – подогреватель газа; 10 – ГУБТ; 11 – электрогенератор.

Рисунок 7.2 – Схема очистки доменного газа без электрофильтра [4]

Исследования показали, что существующие ГОС морально устарели, громоздкие и материалоемкие, не соответствуют параметрам, достигнутым в результате совершенствования доменной плавки.

На основании детального изучения проблемы была разработана на уровне изобретения универсальная ГОС доменного газа, эффективная как при установке ГУБТ, так и без нее (рис. 7.3). Система включает пилеуловитель 1 с завихрителем А и разделительной решеткой Б для предварительной сухой очистки газа; малогабаритный скруббер 2 с верхним подводом газа для полутонкой очистки и предварительного охлаждения; регулируемые трубы Вентури 3 для окончательной очистки от пыли и охлаждения газа с водоотделителем для сепарации капельной влаги; устройство 4 сухого типа с глушением шума для регулирования заданного давления газа на колошнике; отсечной клапан 5; ГУБТ 6 (при экономическом обосновании) [9].

1 – пылеуловитель, А – завихритель, Б – разделительная решетка; 2 – малогабаритный скруббер; 3 – регулируемые трубы Вентури; 4 – устройство сухого типа с глушением шума для регулирования заданного давления газа на колошнике; 5 – отсечной клапан; 6 – ГУБТ.

Рисунок 7.3 – Принципиальная схема универсальной ГОС доменного газа [8]

Основное отличие схем очистки доменного газа, применяются за рубежом фирмами «Бишофф», «П. Вюрт» и др. – наличие прямоточного скруббера с верхним подводом газа и расположенными в нижней части одной или несколькими регулируемыми трубами Вентури. Причем отмечается, что преимущества таких скрубберов состоят в их малых габаритах (ввиду повышенных до 3-4 м/с скоростей газа) и эффективной очистки газа от пыли.

Доменный газ из-под колошника поступает в сухой пылеуловитель, далее – в скруббер и в три элемента с кольцевым зазором (ЭКЗ) типа труб Вентури, каплеуловитель и направляется на ГУБТ. Данная схема отличается от подобных систем на территории СНГ отсутствием дроссельной группы. В сухом пылеуловителе радиального типа улавливается большая колошниковая пыль в результате изменения направления движения газового потока. Колошниковая пыль полностью используется кроме того, при увеличении степени ее улавливания практически вдвое уменьшаются запыленность газа перед скруббером и соответствующее количество шламов, которые направляются в шламонакопители.

В нижней части скруббера доменный газ попадает в три элемента с кольцевым зазором, где происходи охлаждения газа и доулавливание крупной пыли. Каждый элемент состоит из корпуса трубы типа Вентури и регулирующего конуса, которые образуют кольцевой зазор. С помощью ЭКЗ поддерживается необходимое избыточное давление газа на колошнике и одновременно газ очищается до конечной запыленности 4-5 мг/м³ [9].

Основные недостатки использования мокрой очистки доменного газа:
- снижение эффективности применения ДГ как источники ВЭР, так как теплота сгорания снижается за счет насыщения газа водяными парами;
- полная потеря физического тепла с водяными парами;
- осложнения при применении ГУБТ из-за наличия водяного пара и низкой эффективности очистки газов от пыли;
- осложнения использования ВМР в виде шламов;
- необходимость содержания водно-шламового хозяйства и отвода больших территорий под шламы.

Очисткa доменного газа сухим способом

Электрофильтры – наиболее эффективные газоочистные аппараты, потому что эксплуатационные расходы на их содержание, по сравнению с другими пыле- и золоуловителями, гораздо ниже. Установка для электрической очистки газов включает в себя электрофильтр и агрегат питания. Запыленный газ поступает в электрофильтр, на электроды которого подается высокое напряжение, между электродами возникает коронный разряд, в результате чего происходит заполнение межэлектродного пространства отрицательно заряженными ионами газа, которые под действием электрического поля движутся от коронирующих электродов к осадительным. Встряхивания электродов происходит ударно-импульсным способом.

Сопоставление опыта использования газоочистительного комплекса с электрофильтром с работой тканевого фильтра показало, что:
- электрофильтр имеет полную автоматизацию всех процессов, что позволяет высвободить обслуживающий персонал, своевременно и удаленно проводить диагностику, значительно снизить энергопотребление.
- электрофильтр имеет эксплуатационную надежность выше чем у рукавного фильтра;
- тканевый фильтр при выходе из строя системы подогрева или компрессорной станции для регенерации рукавов не работоспособен;
- срок службы деталей рукавного фильтра составляет от полугода до трех лет, а их цена достигает 30% от общей стоимости всего аппарата, тогда как срок эксплуатации электродов электрофильтра – около 20 лет;
- высокая степень очистки, больше чем у рукавного фильтра;
- капитальные и эксплуатационные затраты на электрофильтр выше, чем на рукавный фильтр;
- электрофильтр имеет высокую взрывоопасность.

1 – доменная печь; 2 – сухой инерционный пылеуловитель; 3 – циклон; 4 – задвижка; 5 – дроссельная группа; 6 – коллектор чистого газа; 7 – сухой электрофильтр; 8 – подогреватель газа; 9 – ГУБТ; 10 – электрогенератор.

Наиболее эффективным способом улавливания мелкодисперсной пыли из отходящих газов и аспирационных выбросов различных технологических процессов и агрегатов является фильтрация. В ходе осуществления этого процесса газы проходят через фильтрующий материал, в качестве которого используется ткань с различными характеристиками.

Принцип работы системы сухой очистки доменного газа основан на прохождении доменного газа через фильтрующие элементы секций рукавного фильтра.

Из-за высокого давления газа применить имеющиеся схемы регенерации обратной продувкой или импульсом сжатого воздуха не представляется возможным. Поэтому для такой газоочистки нужна установка ГУБТ. В этом случае за счет комбинации с перепадами давления до и после ГУБТ есть возможность проводить регенерацию фильтра очищенным колошниковым газом .

В данной работе предлагается замена действующих мокрых схем очистки доменного газа на сухую, которая была разработана на основе зарубежного опыта на предприятии ОАО «Запорожсталь».

Аналогичная схема, которая используется на одном из Японских заводов, приведена на рисунке 7.5  [2].

1 – доменная печь; 2 – пылеуловитель; 3 – дроссельная группа; 4 – отсечные клапаны; 5 – рукавный фильтр; 6 – ГУБТ;
7 – регулятор давления.

Рисунок 7.5 – Технологическая схема обеспыливания колошникових газов сухим методом при помощи рукавного
 фильтра [2].

В укрупненном виде тканевый фильтр представляет собой металлический корпус, внутри которого размещаются фильтрующие элементы, состоящие из тканевых рукавов, одетых на металлические проволочные каркасы.

Для регенерации фильтрующих элементов используется импульсная продувка сжатым воздухом через быстродействующие продувочные клапаны.

Работа установки полностью автоматизирована [2].

Первые результаты работы газоочисток подтвердили высокую экономическую и экологическую эффективность использования сухого способа очистки ДГ. Сухая очистка позволит:
- получить стабильную и эффективную работу ГУБТ для выработки электроэнергии, потому что концентрация пыли в доменном газе уменьшается до 2-3 мг/м³, что увеличивает срок службы воздухонагревателей, а также повышает производительность ГУБТ на 30% и устойчивость лопаток ГУБТ – до 1 года;[10]
- увеличить использование ВМР в связи с исключением образования шлама;
- исключить из производства использование воды для мокрых газоочисток, в связи с чем исключаются или сокращаются объемы строительства ряда объектов водного хозяйства доменной печи: шламовой перекачивающей станции газоочистки, отстойников и флокулятора шлама, насосной станции перекачки пульпы, циркуляционной насосной станции оборотного цикла газоочистки и др.;
- повысить температуру нагрева доменного дутья и использовать физическое тепло доменного газа, так как температура газа после сухой очистки составляет 100-120ºС, что на 50-70ºС выше, чем при использовании мокрой газоочистки; влажность газа снижается на 50-60 г/м³, что в совокупности равноценно увеличению калорийности доменного газа на 50-60 ккал/м³;
- улучшить экологическую обстановку на заводе в связи с более качественной очисткой газа от пыли и устранением шламового хозяйства.

Во время написания данного реферата магистерская работа еще не завершена.

1. Очистка доменного газа. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://act.metal-index.ru/zakon11p5.shtml
2. Защита воздушного бассейна от выбросов доменных печей в условиях ОАО «Запорожсталь» /Осипенко В.В.,Осипенко В.Д. [Электронный ресурс]. – Режим доступа: URL: http://destal.net/ru
3. Юдашкин М.Я. Очистка газов в металлургии. – М.: ”Металлургия”, 1976. – 384 с.
4. Улавливание и очистка неорганизованных выбросов доменной печи / Набока В.И., Крутас Н.В., Волкова Л.А., Бородавко А.А. // Металл и литье Украины – 2003, № 9-10. – С. 9-12.
5. Старк С.Б.: Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве.– М.:Металлург;1990. – 400с.
6. Черная металлургия капиталистических и развивающихся стран в 1987 г. Подготовка сырьевых материалов, коксохимическое производство, производство чугуна и прямое получение железа/ В.В. Антипова, С.Е. Бачинина, А.С. Близнюков и др.: Обзор. Информ./ Ин-т «Черметинформация». – М., 1988. – 19с.
7. Совершенствование технологии подготовки шихты с целью снижения энергозатрат на производство агломерата и улучшение его качества / Кушнарев Б.В., Ефимов С.П., Райхель В.В. идр.// Сталь. – 1987. №2. С. 8-12.
8. Новые технологические и технические решения по газоочистной системе доменного газа/ И.Е.Сперкач// Сталь. – 2007. №3. С. 97-103.
9. А.Лайтоний. Конструкция системы газоочистки доменной печи// Сталь. – 2010. №8. С. 87-93.
10. Сухая очистка доменного газа – новый этап развития предприятия черной металлургии / Осипенко В.В., Осипенко В.Д., Губанов В.И.// Сталь. – 2010. №25. С. 25-26.