Товщик Наталя Олегівна

Факультет екології та хімічної технології

Кафедра рудно-термічних процесів і маловідходних технологій

Спеціальність «Екологія та охорона навколишнього середовища»

Розробка технології сухого очищення доменного газу

Науковий керівник: к.т.н., доц. Кочура Володимир Васильович

Зміст

Доменне виробництво має великий вплив на забруднення навколишнього середовища, так як при виробництві чавуну утворюється велика кількість газових викидів та відходів. Особливу цінність має доменний газ (ДГ), враховуючи це доцільним і актуальним є його подальше використання, в результаті чого відбувається поліпшення екологічної обстановки на підприємствах. Але для того щоб подальше використання доменного газу стало можливим необхідно відділити від нього колошниковий пил, який також має високу сировинну цінність і може використовуватися у виробництві.

У наш час гострою є проблема забруднення атмосфери, зокрема викидами від металургійних агрегатів. Діючі схеми очистки доменного газу мокрим способом знижують ефективність використання доменного газу в якості вторинного енергетичного ресурсу, також через насичення ДГ водяними парами знижується його теплота згоряння, а фізичне тепло повністю втрачається з водяною парою. Також проблематичним є використання газової утилізаційної безкомпресорної турбіни (ГУБТ) через наявності водяної пари. Таким чином, актуальним є переведення доменних печей з мокрої газоочистки на суху.

На основі аналізу та виконаного огляду досліджень з цієї теми на різних підприємствах розроблена технологія очищення доменного газу сухим способом, а також розроблені рекомендації з використання доменного газу в якості вторичних енергетичних ресурсів (ВЕР).

Поліпшення екологічної обстановки на металургійних підприємствах, зниження витрат води в доменному цеху, економія енергетичних ресурсів в результаті використання доменного газу як палива.

Розробка технології очищення доменного газу сухим способом з метою поліпшення екологічної обстановки на металургійних підприємствах, зниження витрат води в доменному цеху, економії енергетичних ресурсів, збільшення ступеня використання ВЕР і вторичних матеріальних ресурсів (ВМР) доменного виробництва.

Для очищення доменного газу до концентрацій пилу не вище 10 мг/м³на вітчизняних металургійних заводах застосовують багатоступінчасті комбіновані схеми.

Як правило, спочатку очищення доменного газу проводять у сухих пиловловлювачах діаметром 5-8 м, в яких осідають частинки пилу розміром 50 мкм і більше. У цих апаратах вловлюється 70-90% пилу, що міститься в доменному газі, завдяки впливу сил гравітації і інерційних сил, що виникають при повороті газового потоку на 180°. Пил з пиловловлювача видаляється за допомогою гвинтового конвеєра, що змочується водою. Залишковий вміст пилу в доменному газі після грубої очистки не перевищує 3-10 м/м³.

Для другого ступеня очищення газу використовують системи мокрого очищення. Зазвичай доменний газ із системи грубого сухого очищення надходить на напівтонке очищення газу, де видаляються частинки розміром 20 мкм і більше та газ очищається до залишкового вмісту пилу на виході 0,6-1,6 г/м³. Напівтонке очищення здійснюють в апаратах мокрого типу – форсункових порожнистих скруберах і трубах Вентурі. Гази в доменних скруберах мають швидкість 1-2 м/с, питома витрата води, становить 3-6 кг/м³ газу. Проходячи через скрубер доменний газ охолоджується з 250-300ºC до 40-50ºС і повністю насичується вологою. Ступінь очищення газу від пилу в скрубері не перевищує 60-70%.

Після скрубера газ в більшості випадків надходить у дві-чотири низьконапірні труби Вентурі, швидкість газів у горловині яких дорівнює 50-80 м/с при питомій витраті води 0,2 кг/м³. Тут завершується напівтонке очищення газу.

Тонке очищення доменного газу, що містить до 10 мг/м³. пилу, здійснюють в апаратах 1 класу. У зв'язку з широким впровадженням на заводах чорної металургії газорозширювальних станцій, що використовують потенційну енергію тиску доменного газу для вироблення електроенергії в газових утилізаційних безкомпресорних турбінах (ГУБТ), для тонкої очистки газу зазвичай застосовують апарати, що працюють з малою втратою тиску, наприклад мокрий електрофільтр.

Таким чином, в залежності від наявності або відсутності ГУБТ, на вітчизняних заводах зазвичай застосовують дві схеми очищення доменного газу:

1) доменна піч – сухий пиловловлювач – форсунковий порожнистий скрубер – труба Вентурі – краплевловлювач – дросельна група – краплевловлювач – чистий газ споживачеві;

2) доменна піч – сухий пиловловлювач – форсунковий порожнистий скрубер – труба Вентурі – краплевловлювач – мокрий електрофільтр – чистий газ на отримання електроенергії в ГУБТ.

Експлуатаційні витрати на очисні споруди доменного цеху залежать в основному від вартості електроенергії, водопостачання та обслуговування [1].

Інновацією ТОВ НВП «Дніпроенергосталь» в даний час є система сухого очищення доменного газу із застосуванням рукавного фільтра з імпульсною регенерацією, яка використовується для очищення від пилу доменного газу, що виділяється в процесі роботи доменних печей металургійних підприємств, за допомогою методу сухої фільтрації через фільтрувальні елементи.

Принцип роботи системи сухого очищення доменного газу заснований на проходженні доменного газу через фільтруючі елементи секцій рукавного фільтра, під впливом різниці тисків у межконусном просторі доменної печі (3,0 атм) і в загальнозаводському колекторі чистого доменного газу (1,2 атм) [2].

У світі використовують різноманітні схеми очищення доменного газу. Так, наприклад, у США, система очищення доменного газу звичайно включає циклон, скрубер і мокрі електрофільтри чи двоступінчастий скрубер. Використання мокрих електрофільтрів забезпечує безпеку роботи при очищенні вибухонебезпечних газів, але їхнє використання зв'язане з рядом труднощів і одночасно збільшує експлуатаційні витрати майже вдвічі. Крім того, з погляду раціонального природокористування більш прогресивними є способи сухого очищення доменного газу, тому що це знижує загальне забруднення водяних і земельних ресурсів при усуненні шламового господарства, і дозволяє виключити із системи оборотного водопостачання умовно брудну воду [3,4].

Виходячи з вищезазначеного, потрібно відзначити, що у світі розроблений ряд апаратів сухого очищення доменного газу: пластинчастий електрофільтр і металотканевий фільтр, з їхньою допомогою газ очищують до залишкового вмісту пилу менш ніж 10 мг/м³ при 200-300ºC. При такій температурі доменний газ може бути використаний безпосередньо споживачами або в ГУБТ для одержання електроенергії. Перша установка сухого очищення доменного газу побудована у Фінляндії, вона оснащена електрофільтром фірми Лургі, тут використовувався досвід Японії.

У Тибі, Японія, на заводі фірми «Кавасакі сейтецу» успішно експлуатується система сухого очищення доменного газу з використанням рукавного фільтра. Метою впровадження установки сухого очищення доменного газу було підвищення потужності ГУБТ у результаті підвищення температури газу і зменшення витрат його напору, а також скорочення експлуатаційних витрат у результаті зупинки підігрівника і вентилятора, що підвищує тиск охолодженого газу. Особливостями даної схеми є наявність ліній сухого і мокрого пиловловлення з пристроями для автоматичного переключення з однієї лінії на іншу, застосування устаткування для охолодження газу водою, що розпорошується, охолоджувача на лінії первинного вирівнювання тиску в шихтових бункерах, водяного охолодження редуктора безконусного засипного апарату, турбіни, устаткування для видалення цинку з уловленого пилу [3].

Газоочистка сухого типу призначається для попереднього грубого очищення доменного газу від пилу. Ряд закордонних фірм (Бишофф, П. Вюрт, Лургі та ін.) застосовують два пиловловлювача – радіальний і тангенціальний. Їх сумарний ККД збільшується до 80-85%, а діапазон по гранулометричному складу охоплює фракції 50-60 мкм. Крім того, у сухих пиловловлювачах уловлюються переважно важкі фракції оксидів заліза (до 60%) і великі частки коксу (до 20%), на мокру газоочистку надходить пил з відносно низьким вмістом оксидів заліза (20-25%).

На деяких підприємствах Японії (Nippon Коkan К. К. Fuкuуама ВF № 2, 5, Ogishima-BF №2) і Китаю (Shougang соrроrаtion, ВF №2) після пиловловлювачів застосовують сухі електрофільтри чи тканеві фільтри для підвищення ефективності роботи ГУБТ. Розташовуються вони паралельно установкам газоочистки мокрого типу, що залишаються в експлуатації при менших навантаженнях [5].

На заводі «Штальверке Бремен» (Німеччина) в області очищення колошникового газу з метою оптимізації уловлювання пилу застосували особливу комбінацію нових способів очищення. Наявну систему газоочистки, що складається з пиловловлювача і скрубера із соплами Вентурі з регульованим кільцевим зазором, замінили осьовим циклоном фірми «Пауль Вюрт», оптимізованим скрубером із соплами Вентурі з регульованим кільцевим зазором і зовнішнім краплевідділювачем. Завдяки такій комбінації способів очищення збільшується ефективність відділення пилу на етапі сухого очищення, що веде до скорочення навантажень і витрат на наступне мокре очищення і підготовку води.

У традиційному пиловловлювачі частки пилу осаджуються тільки під дією гравітації і зміни напрямку потоку газу. У цьому випадку для досягнення достатнього осадження пилу (більше 50 %) необхідні відносно малі швидкості потоків, що при їхніх відповідних обсягах вимагає застосування пиловловлювачів дуже великого діаметра. При цьому дрібні частки пилу (більше 40 мкм) погано уловлюються. На відміну від цього методу, відділення часток пилу в осьовому циклоні фірми «Пауль Вюрт» відбувається під впливом відцентрових сил у потоці газу, що обертається з великою швидкістю. Це сприяє уловлюванню більш дрібних часток пилу (до 1 мкм) і досягненню загального ступеня осадження більше 85 % [6-7].

Очищення доменного газу мокрими способами

Газоочисні системи (ГОС) доменного газу (ДГ) на всіх підприємствах чорної металургії країн СНД, як правило включають: пиловловлювач радіального типу для первинного сухого очищення колошникового газу від грубого пилу фракції 80-100 мкм, в якому осідає 25-40% пилу, що виноситься з доменної печі (колошниковий пил); скрубер з нижнім введенням газу для напівтонкого очищення газу від пилу (в основному > 25 мкм) до 0,5-1,0 г/нм³ і охолодження газу до 40-45°С; труби Вентурі з водовіддільником для часткового (при перепаді тиску 3-5 кПа) до 50-150 мг/нм³ або остаточного нормативного тонкого (при перепаді тиску 20 кПа) до 4 мг/нм³ очищення газу від пилу й охолодження на 4-5°С; редукційно-дросельну групу (РДГ), зрошувану водою, з водовіддільником для регулювання заданого тиску на колошнику і попутного очищення газу від пилу до
<4 мг/нм³, краплевловлювач для сепарації крапельної вологи [8].

З метою використання надлишкової механічної та теплової енергії стисненого ДГ для вироблення електроенергії (без витрат палива) застосовується газоутилізаційна турбіна (ГУБТ). За деякими печами сухе первинне очищення ДГ здійснюється послідовно в радиальному і тангенціальному пиловловлювачах з сумарним ККД=80%. За іншими (в основному малими печами) ДГ очищається за спрощеною схемою, радіальний пиловловлювач – скрубер – РДГ – краплевловлювач. В залежності від наявності або відсутності ГУБТ на вітчизняних підприємствах застосовують різні схеми очистки доменного газу.

1 – доменна піч; 2 – сухий інерційний пиловловлювач; 3 – порожнистий скрубер; 4 – труба Вентурі; 5 – краплевловлювач;
6 – засувка; 7 – дросельна група; 8 – колектор чистого газу; 9 – мокрий електрофільтр; 10 – підігрівач газу; 11 – ГУБТ;
12 – електрогенератор.

Рисунок 7.1 – Схема очищення доменного газу із застосуванням електрофільтру [4]

У зв'язку з широким впровадженням на підприємствах чорної металургії газорозширювальних станцій, які використовують потенційну енергію доменного газу для вироблення електроенергії в ГУБТ, застосування дросельних груп для тонкої очистки газу стає нерентабельним. Економічно доцільніше використовувати весь можливий перепад тиску в ГУБТ, а для тонкої очистки газу застосовувати апарати, що працюють з малою втратою тиску, наприклад мокрий електрофільтр типу ДМ (для тонкого очищення доменного газу). Дросельну групу зберігають лише на випадок виходу з ладу ГУБТ (рис. 7.1).

Внаслідок того, що трубчасті електрофільтри типу ДМ працюють недостатньо надійно, особливо при високому тиску газу під колошником, була запропонована схема тонкого очищення газу в скруберах Вентурі та використанням його енергії в ГУБТ. Після блоку з 5-7 труб Вентурі встановлюють відцентрові скрубери (краплевловлювачі), з яких газ відводиться в ГУБТ і далі до споживачів. Як правило, в якості резерву до ГУБТ зберігають дросельну групу з відцентровим скрубером. Дана схема характеризується підвищеною надійністю роботи; недолік - втрата частини тиску газу на подолання гідравлічного опору скрубера Вентурі

.

1 – доменна піч; 2 – сухий інерційний пиловловлювач; 3 – порожнистий скрубер; 4 – труба Вентурі; 5 – краплевловлювач;
6 – засувка; 7 – дросельна група; 8 – колектор чистого газу; 9 – підігрівач газу; 10 – ГУБТ; 11 – електрогенератор.

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

Дослідження показали, що існуючі ГОС морально застаріли, громіздкі і матеріалоємні, не відповідають параметрам, досягнутим в результаті вдосконалення доменної плавки. На підставі детального вивчення проблеми була розроблена на рівні винаходу універсальна ГОС доменного газу, ефективна як при установці ГУБТ, так і без неї (рис. 7.3). Система включає пилевловлювач 1 з завихрювачем А і розділюючою решіткою Б для попередньої сухої очищстки газу; малогабаритний скрубер 2 з верхнім введенням газу для напівтонкої очистки і попереднього охолодження; регульовані труби Вентурі 3 для остаточного очищення від пилу й охолодження газу з водовіддільником для сепарації крапельної вологи; пристрій 4 сухого типу з глушінням шуму для регулювання заданого тиску газу на колошнику; відсічний клапан 5; газоутилізаційну турбіну 6 (при економічному обгрунтуванні) [9].

1 – пиловловлювач, А – завіхрювач, Б – розділююча решітка; 2 – малогабаритний скрубер; 3 – регульовані труби Вентурі; 4 – пристрій сухого типу з глушінням шуму для регулювання заданого тиску газу на колошнику; 5 – відсічний клапан;
6 – газоутилізаційна турбіна.

Рисунок 7.3 – Принципова схема універсальної ГОС доменного газу [8]

Основна відмінність схем очищення доменного газу, застосовуються за кордоном фірмами «Бішофф», «П. Вюрт» та ін. – наявність прямоточного скрубера з верхнім підведенням газу і розташованими в нижній частині однією або кількома регульованими трубами Вентурі. Причому наголошується, що переваги таких скруберів складаються в їх малих габаритах (зважаючи на підвищених до 3-4 м/с швидкостей газу) та ефективної очищення газу від пилу.

Доменний газ з-під колошника надходить в сухий пиловловлювач, далі - у скрубер і в три елементи з кільцевим зазором (ЕКЗ) типу труб Вентурі, краплевловлювач і спрямовується на ГУБТ. Дана схема відрізняється від подібних систем на території СНД відсутністю дросельної групи. У сухому пиловловлювачі радіального типу уловлюється великий колошниковий пил в результаті зміни напрямку руху газового потоку. Колошниковий пил повністю використовується крім того, при збільшенні ступеня його уловлювання практично вдвічі зменьшується запиленість газу перед скрубером і відповідна кількість шламів, які направляються у шламонакопичувачі.

У нижній частині скрубера доменний газ потрапляє в три елементи з кільцевим зазором, де відбувається охолодження газу і уловлювання великого пилу. Кожен елемент складається з корпусу труби типу Вентури і регулюючого конуса, які утворюють кільцевої зазор. За допомогою ЕКЗ підтримується необхідний надлишковий тиск газу на колошнику і одночасно газ очищається до кінцевої запиленості 4-5 мг/м³ [9].

Основні недоліки використання мокрої схеми очищення доменного газу:
- зниження ефективності застосування ДГ як джерела ВЕР. Теплота згоряння знижується за рахунок насичення газу водяними парами;
- повна втрата фізичного тепла з водяними парами;
- ускладнення застосування ГУБТ через наявність водяної пари і низької ефективності очищення газів від пилу;
- ускладнення використання ВМР у вигляді шламів;
- необхідність утримання водно-шламового господарства та відведення великих територій під шлами.

Очищення доменного газу сухим способом

Електрофільтри – найбільш ефективні газоочисні апарати, тому що експлуатаційні витрати на їх утримання, у порівнянні з іншими пило- та золоуловлювачами, набагато нижче. Установка для електричного очищення газів включає в себе електрофільтр і агрегат живлення. Запилений газ надходить в електрофільтр, на електроди якого подається висока напруга, між електродами виникає коронуючий розряд, внаслідок чого відбувається заповнення міжелектродного простору негативно зарядженими іонами газу, які під дією електричного поля рухаються від коронуючих електродів до осаджувальних. Струшування електродів відбувається ударно-імпульсним, способом.

Зіставлення досвіду використання газоочисного комплексу з електрофільтром з роботою тканинного фільтра показало, що:
- електрофільтр має повну автоматизацію всіх процесів, що дозволяє вивільнити обслуговуючий персонал, своєчасно і віддалено проводити діагностику, значно знизити енергоспоживання.
- електрофільтр має експлуатаційну надійність вище ніж в рукавному фільтрі;
- тканинний фільтр при виході з ладу системи підігріву або компресорної станції для регенерації рукавів не працездатний;
- термін служби рукавів складає від півроку до трьох років, а їхня ціна сягає 30% від загальної вартості всього апарату, тоді як термін експлуатації електродів електрофільтру – близько 20 років;
- висока ступінь очищення, більше ніж в рукавному фільтрі;
- капітальні та експлуатаційні витрати на електрофільтр вище, ніж на рукавний фільтр;
- електрофільтр має високу вибухонебезпечність.

1 – доменна піч; 2 – сухий інерційний пиловловлювач; 3 – циклон; 4 – засувка; 5 – дросельна група; 6 – колектор чистого газу; 7 – сухий електрофільтр або фільтр; 8 – підігрівач газу; 9 – ГУБТ; 10 – електрогенератор.

Рисунок 7.4 – Схема очищення доменного газу c сухим пиловловлювачем і електрофільтром [4]

Найбільш ефективним способом уловлювання дрібнодисперсного пилу з газів, що відходять і аспіраційних викидів різних технологічних процесів і агрегатів є фільтрація. У ході здійснення цього процесу гази проходять через фільтрувальний матеріал.

На основі закордонного досвіду розроблено конструкцію фільтра і технологічна схема газоочистки в цілому для знепилювання колошникових газів сухим методом.

Принцип роботи системи сухого очищення доменного газу заснований на проходженні доменного газу через фільтруючі елементи секцій рукавного фільтру.

Через високий тиск газу застосувати наявні схеми регенерації зворотньою продувкою або імпульсом стисненого повітря не представляється можливим. Тому для такої газоочистки потрібна установка ГУБТ. У цьому випадку за рахунок комбінації з перепадами тиску до і після ГУБТ є можливість проводити регенерацію фільтру очищеним колошниковим газом [2].

У даній роботі пропонується заміна діючих мокрих схем очищення доменного газу на суху, яка була розроблена на основі зарубіжного досвіду на підприємстві ВАТ «Запоріжсталь».

Аналогічна схема, яка використовується на одному з Японських заводів, наведена на рисунку 7.5 [2].

1 – доменна піч; 2 – пиловловлювач; 3 – дросельна група; 4 – відсічні клапани; 5 – рукавний фільтр; 6 – ГУБТ;
7 – регулятор тиску.

Рисунок 7.5 – Технологічна схема знепилювання колошникових газів сухим методом за допомогою рукавного фільтру [2]

В укрупненому вигляді тканинний фільтр являє собою металевий корпус, всередині якого розміщуються фільтрувальні елементи, що складаються з тканинних рукавів, одягнених на металеві дротові каркаси.

Для регенерації фільтрувальних елементів використовується імпульсне продування стисненим повітрям через швидкодіючі продувні клапани.

Ефективність знепилювання газів в фільтрі залежить від дисперсності частинок пилу, характеристик фільтрувального полотна, способу і режиму регенерації, величини питомого газового та пилового навантаження, гідравлічного опору апарату.

Фільтри оснащені високоефективною і надійною системою регенерації стисненим повітрям із застосуванням швидкодіючих продувних клапанів. Робота установки повністю автоматизована [2].

Перші результати роботи газоочисток підтвердили високу економічну та екологічну ефективність використання сухого способу очищення ДГ. Сухе очищення дозволить:
- отримати стабільну і ефективну роботу ГУБТ для вироблення електроенергії, тому що концентрація пилу в доменному газі зменшується до 2-3 мг/м³, що збільшує термін служби повітронагрівачів, а також підвищує продуктивність газоутилізаційної безкомпрессорної турбіни (ГУБТ) на 30% і стійкість лопаток ГУБТ – до 1 року [10];
- збільшити використання ВМР у зв'язку з виключенням утворення шламу;
- виключити з виробництва використання води для мокрих газоочисток, у зв'язку з чим виключаються або скорочуються обсяги будівництва ряду об'єктів водного господарства доменної печі: шламової перекачувальної станції газоочистки, відстійників і флокулятор шламу, насосної станції перекачування пульпи, циркуляційної насосної станції оборотного циклу газоочистки та ін;
- підвищити температуру нагрівання доменного дуття і використовувати фізичне тепло доменного газу, тому що температура газу після сухого очищення складає 100-120ºС, що на 50-70ºС вище, ніж при використанні мокрої газоочистки; вологість газу знижується на 50-60 г/м³, що в сукупності рівноцінно збільшенню калорійності доменного газу на 50-60 ккал/м³;
- поліпшити екологічну обстановку на заводі у зв'язку з більш якісним очищенням газу від пилу і усуненням шламового господарства.

Під час написання цього реферату магістерська робота ще 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.