Товщик Н.О. Конструкция системы газоочистки для доменной печи

Частицы пыли в колошниковом газе перед влажной очисткой обычно отделяются гравитационным пылеуловителем или циклонами большого диаметра, которые в последнее время используются все чаше. Цель данного процесса — удаление максимального количе¬ства сухой пыли для повторного использования и рециркуляции. Кроме того, утилизируемая пыль должна иметь низкое содержание 2п и РЬ, не выходящее за рамки цинкового баланса доменной печи. Результаты эксплуатации показывают, что циклонный пылеуловитель — действенное и эффективное устройство для минимизации потребностей в переработке и удалении доменного шлама, загрязненного цинком (рис. 1).

Эффективность удаления пыли любым сепаратором зависит от ее гранулометрического состава, механизма отделения и в меньшей степени от содержания пыли на входе, которое колеблется от 15 до 20 г/нм³ газа. Отделяемая пыль собирается в специальный бункер-накопитель, который, как правило, рассчитан на накопление пыли в течение 1,5 дня и опустошается автоматической системой выгрузки пыли в герметич¬ные контейнеры или на землю для дальнейшей транспортировки на утилизационную установку.

Функционирование и эффективность традиционного гравитационного пылеуловителя управляются законом Стокса. В 1851 г. Дж. Стоке сформулировал выражение для силы трения, действующей на сферические объекты с ничтожно малым числом Рейнольдса (Rе) в постоянной вязкой жидкой среде, путем решения, в общем-то, неразрешимых уравнений Навье - Стокса для малой массы жидкости. Однако закон Стокса применим только к сферическим объектам с ничтожно малым числом Rе и скоростью оседания в области ламинарного обтекания. Для частиц с Rе выше 0,2 - 100000 степень турбулентности становится значимой, что ведет к дополнительной силе трения и, следовательно, к оседанию, в противном случае предельная скорость будет ниже предусмотренной законом Стокса. Для этих размеров частиц предельная скорость обусловлена корреляцией между Rе частиц и коэффициентом трения с применением величин, приведенных в таблицах Хэйвуда. В качестве альтернативы можно использовать корреляцию между числом Rе частиц и числом Архимеда (Аг) (что действительно для диапазона Rе = 0,2 - 20000).

Если частицы в вязкой среде оседают под собственным весом, то предельная скорость, которую также называют скоростью оседания, достигается в тот момент, когда сила трения в сочетании с выталкивающей силой в точности уравновешивает гравитационную силу. Предельную скорость каждой группы частиц можно определить на основании комбинации закона Стокса и таблиц Хэйвуда. Исходя из предельной скорости частиц можно рассчитать эффективность их удаления, которая зависит от скорости подъема газа в кольце пылеуловителя, а следовательно, и от диаметра барабана.

Циклонный пылеуловитель

Эффективность функционирования циклонного пылеуловителя основывается на центробежных силах. В циклоне «Даниэли Корус» газ подается через одно или два тангенциальных впускных отверстия со скоростью, необходимой для проталкивания частиц пыли к стенке и их отделения от газового потока. Циклон данного типа абсолютно пустой, без сложной конструкции входного купола и сменных направляющих лопаток, поэтому расходы на его монтаж и техническое обслуживание значительно сокращены. Циклон укомплектован разгрузочной насадкой, сводом, конусом для жидкости и бункером для сбора пыли с двойным выпускным отверстием для пыли с вилкообразным ветроуказателем.
Эффективность пылеулавливания циклона в значительной степени зависит от гранулометрического состава частиц пыли. Частицы < 5 мкм не удаляются из-за малой массы. Частицы размером от 5 до 30 мкм отделяются частично, а частицы > 30 мкм отделяются почти со 100 %-ной эффективностью. Возможно достижение 85 %-ной и более высокой обшей эффективности отделения пыли, при этом удаленную сухую пыль с очень низким содержанием 2п и РЬ можно сразу отправлять на повторное использование.

Система выгрузки пыли

Система основана на использовании двух промежуточных резервуаров, параллельно установленных под выпускными соплами бункера для сбора пыли. Резервуары спроектированы для выгрузки пыли на дозировочное основание под давлением, близким к атмосферному, чтобы предотвратить скопление пыли в пылеуловителе или циклоне, а также уменьшить выбросы. Конструкцию завершают два купольных клапана с надувным уплотнением, установленных на входе в резервуар и выходе из него. Содержимое резервуаров выгружается в шнеки-смесители, в которых пыль смачивается, прежде чем будет выгружена на землю или в расположенный ниже герметичный контейнер.
В бункере для пыли установлены два датчика радарного типа для измерения уровня. Сигналы от них используются для наблюдения за процессом скопления пыли, запуска цикла ее разгрузки и отправки аварийных сигналов о низком и высоком уровнях. В автоматическом режиме система выгрузки пыли управляется посредством ПЛК установки газоочистки. В момент начала цикла клапан герметизации открывается, и в сборный резервуар пыли через небольшой циклон герметизации запускается герметизирующий азот. Одновременно открывается клапан внизу циклона герметизации, позволяя, таким образом, задуть обратно в сборный резервуар пыль, собравшуюся в циклоне во время разгерметизации (рис. 2).

После выравнивания давления между циклоном и сборным резервуаром открывается наполнительный клапан, который закрывается сразу после получения сигнала о заполнении резервуара или по истечении заранее установленного периода времени. После получения подтверждения о закрытии клапана открывается клапан разгерметизации, и сжатый газ выпускается в газопровод чистого газа через циклон герметизации. По завершении разгерметизации открывается выпускной клапан сборного резервуара, чтобы выгрузить пыль в шнек-смеситель. Этот клапан закрывается по получении сигнала "резервуар пустой" или по истечении заранее заданного времени. Продолжительность рабочего цикла системы может устанавливаться на основании теоретического скопления пыли. Сигналы о фактическом уровне ее в бункере могут использоваться для начала цикла разгрузки в соответствии с производственными потребностями или для прерывания заранее установленного цикла, что позволяет избежать переполнения или случайного выхода газа.

Отделение пыли влажным способом

Безаварийное функционирование газоочистителя (скруббера), даже в условиях работы доменной печи с перебоями, является главной предпосылкой к экономически выгодному производству чугуна. Конструкция газоочистителя с кольцевым зазором фирмы Bishoff была полностью оптимизирована благодаря опыту, приобретенному в процессе монтажа свыше сотни установок по всему миру, чтобы обеспечить высокую надежность и отличные эксплуатационные показатели. Однобашенная конструкция состоит из предварительного очистителя/охладителя и ступеней газоочистителя с кольцевым зазором, за которыми следует внешний влагоотделитель с высоким КПД. Характеристики газоочистки с кольцевым зазором подробно описаны ниже: группа механизмов для удаления пыли; минимальное потребление воды для газоочистки; надежный контроль пикового давления; проверенные эксплуатационные показатели и высокая эффективность. Благодаря своему уникальному дизайну газоочиститель с кольцевым зазором требует минимального пространства, а также обеспечивает минимальное потребление энергии и низкий уровень шума.

Механизм удаления пыли

Отделение пылевых частиц от доменного газа требует применения силы, которая заставляет двигаться с различной скоростью частицу, относящуюся к газу, обеспечивая при этом достаточное количество времени для того, чтобы частица переместилась на улавливаю¬щую поверхность. Основными механизмами отделения пыли в газоочистителе с кольцевым зазором яв¬ляются инерционный перехват; турбулентная (броуновская) диффузия; перехват поточной линии (рис. 3).

Инерционный перехват характеризуется различными инерционными силами для разных масс. Когда пыленасыщенный газ обтекает собирающиеся капли воды, пылевые частицы с большей массой не следуют по линиям течения газового потока. Эти частицы, движимые инерционной силой, ударяются о капли воды, проникают в них и таким образом удаляются из газового потока.
Турбулентная диффузия является высокоэффективным способом удаления более мелких частиц пыли из газового потока. Мелкие частицы, особенно те, диаметр которых < 0,3 мкм, демонстрируют интенсивное броуновское движение и не перемещаются равномерно вдоль линии потока. Эти частицы рассеиваются из него на поверхность водных капель и там собираются. Данный механизм работает только в тех газоочистителях, которые активируют турбулентный поток газожидкостной смеси, работают на низкой скорости и обеспечивают достаточное количество времени на удержание частиц.
Механизм перехвата поточной линии работает только в том случае, если газовый поток проходит в пределах радиуса одной частицы собирающейся капли воды. Пылевая частица, перемещающаяся вдоль линии этого потока, касается капли воды и поглощается под действием инерции или турбулентной диффузии.

Требования к воде

После первичного отделения пыли в пылеуловителе или циклоне колошниковый газ проходит очистку водой в газоочистителе с кольцевым зазором для получения желаемой остаточной концентрации частиц в очищенном газе. Для проведения газоочистки необходимо относительно небольшое количество воды, и, следовательно, ее общий расход определяется, как правило, по¬требностями газоохлаждения. Водяные контуры оптимизируются путем повторного использования внутрен¬ней воды для уменьшения нагрузки на систему рециркуляции. Например, для охлаждения колошникового газа от 150 до 38 °С необходимо 3,0 л/нм воды при тем¬пературе 30 °С, когда доменная печь работает при максимальном (пиковом) давлении 0,25 МПа.
Как правило, рекомендуется, чтобы температура чистого газа не превышала 35 — 40 °С, что позволяет уменьшить образование водяного пара в газе. Во время работы газовой утилизационной бескомпрессорной турбины (ГУБТ) желательно поддерживать высокую температуру газа и таким образом максимально увеличивать градиент энтальпии, который можно превращать в полезную энергию. Этот градиент энтальпии для заданного давления на входе и выходе прямо пропорционален температуре на входе в турбину. Следовательно, при нормальных условиях для достижения температуры чистого газа 35 — 40 °С в технологической цепочке турбины колошниковый газ охлаждается до 50 - 60 °С. Его адиабатическое расширение путем сокращения потока охлаждающей воды или обвода градирни системы рециркуляции.
Как и в предыдущем примере, если необходимо поддерживать температуру газа на входе на отметке 50 °С, то обший расход воды на газоочистку сокращается до 1,4 л/нм³.

Эксплуатация

Эксплуатационные качества системы газоочистки доменной печи обычно оцениваются на основе данных о концентрации пыли на выходе и содержании влаги. Эффективность пылеулавливания газоочисти¬теля с кольцевым зазором зависит от скорости в критическом сечении, или перепада давления, и соотношения жидкости и газа. Поскольку улавливание частиц заданного размера и массы зависит от уровня расширения энергии, то результатами более высокого перепада давления по ширине газоочистителя станут увеличение эффективности и снижение концентрации пыли на выходе.
Наивысшая эффективность при любом перепаде давления достигается при неизменном соотношении жидкости и газа, составляющем 0,75 — 1,0 л/нм³. Как показано на кривой коэффициента полезного действия, остаточная концентрация пыли 5 мг/нм³ (d) достигается при относительно низком перепаде давления — около 20 кПа. Благодаря высокоэффективному пылеулавливанию при низком перепаде давления газоочиститель с кольцевым зазором особенно подходит для установки на доменных печах с низким пиковым давлением, а также на печах с высоким пиковым давлением, имеющих турбины рекуперации энергии колошникового газа.
С другой стороны, эти три параллельных элемента газоочистителя также годятся для одноступенчатого понижения давления в случае, если турбина не установлена или вышла из строя. Гибкость управления агрегатом во всевозможных условиях была изначально заложена в проекте газоочистителя с кольцевым зазором. Содержание насыщенной влаги в газе зависит от температуры. Помимо водяного пара, газ содержит увлекаемые или свободные капли воды, которые удаляются в туманоуловителе.
Высокая температура в сочетании с легко увлекаемой влагой снижает теплоту сгорания газа, что ведет к увеличению расхода обогащенного газа для разогрева воздухонагревателей и поддержания требуемой температуры пламени. Температуру газа можно регулировать количеством охлаждающей воды, используемой в секции предварительного размера ограничивает количество увлеченной влаги до 5 г/нм³ и ниже.

Выводы

Циклон в сочетании с газоочистителем с кольцевым зазором имеет следующие преимущества:
эффективность сухого отделения пыли в циклоне достигает 85 % и выше. Концентрация пыли в чистом газе после прохождения через газоочиститель сокращается до гарантируемого показателя — 5 мг/нм³. На практике на многих установках со временем достигается чистота газа от 1 до 3 мг/нм³, измеряемая на основании сухого газа;
значительно сокращается количество шлама, получаемого в результате влажной очистки. Поскольку Zn и РЬ сконцентрированы именно в шламе, причем около 75 % 2п и 79 % РЬ находятся в частицах размером < 5 мкм, то вторичная обработка гидроциклоном не требуется; описанные выше показатели эффективности действительны при перепаде давления 2-4 кПа в циклонном пылеуловителе и 20 кПа, измеряемых по ширине газоочистителя с кольцевым зазором. Для предварительного газоочистителя/охладителя требуется перепад давления 1 кПа, а туманоуловитель работает при перепаде давления 2 кПа. Таким образом, суммарная энергия, затраченная на очистку, составляет 25 — 27 кПа. Такая потребность в низком перепаде давления делает данную систему особенно подходящей для установки на доменных печах с низким пиковым давлением, а также на печах с турбинами рекуперации энергии колошникового газа;
туманоуловитель ограничивает содержание остаточной свободной воды в чистом газе до 5 г/нм³ и менее. Низкое содержание влаги максимально увеличивает теплоту сгорания чистого газа, что является важным фактором при его использовании в качестве топлива для разжигания воздухонагревателей и парогенераторов;
газоочиститель с кольцевым зазором функционирует при постоянном низком соотношении воды и газа — 0,75 л/м³ (газа). Когда охлаждение газа не требуется, например, при наличии турбин рекуперации энергии колошникового газа, то нагрузка на систему рециркуляции воды может быть значительно сокращена;
газоочистка при низком перепаде давления в сочетании с минимальным соотношением воды и газа позволяет уменьшить размеры системы рециркуляции воды и, следовательно, сократить потребление электроэнергии.

Конструкция системы газоочистки для доменной печи

А. Лайтоний Компания «Danieli Corus BV» (Нидерланды)