Эффективная система восстановления и очистки газа конвертера

Система восстановления и очистки газа конвертера основного кислородного домна

В процессе сталиварения в конвертере основного кислородного домна (ККД) кислород (O₂) дуется в загрузку, и в результате химических реакций в конвертере через горловину выходит большое количество газа при высокой температуре, богатого оксидом углерода (CO). На этом этапе газ очень горяч (температура 950 °C и выше) и пыленесет. Этот газ называется LD-газом, газом конвертера или конвертерным газом. Конвертерный газ обычно классифицируется как бедный газ по теплоте сгорания и индексу Воббе, но относится к группе богатых газов, если рассматривать его горение (и особенно температуру горения).

В ранние годы сталиварения конвертерным процессом бурые дымы из трубы указывали на работу конвертера. Сегодня, благодаря системе восстановления и очистки газа конвертера, работа конвертера определяется только по факелу.

Состав конвертерного газа меняется в зависимости от используемого процесса, метода восстановления и, в частности, объема кислорода. Состав газа меняется от начала до конца дутья заложи в конвертере и является функцией времени дутья. Основные компоненты конвертерного газа: CO, CO₂ (диоксид углерода), O₂ и N₂ (азот). Типичный состав конвертерного газа по объему: CO — 55–60%, CO₂ — 12–18%, O₂ — 0,1–0,3%, остальное — N₂.

Первые конвертеры были введены в эксплуатацию в ноябре 1952 г. (VOEST в Линце) и мае 1953 г. (OAMG, Донавиц). В ранние годы процесса LD конвертера верховой газ полностью сгорал у горловины конвертера через открытую ковшу, а затем охлаждался в трубе либо косвенно водой, либо системой испарительного охлаждения. В то время производилось около 300 кг пара и 250 куб. м дымовых газов на тонну грубой стали.

Экологические аспекты и развитие систем

Экологические аспекты были серьезным вызовом для конвертерного процесса при его промышленном внедрении в 1950-х. Мелкодисперсность пыли в конвертерном отходящем газе заставила поставщиков процесса разрабатывать новые системы выдепывания. 1 г конвертерной пыли имеет видимую площадь поверхности 300–500 кв. м. Чтобы избежать оптического эффекта «бурых дымов», пыль должна быть очищена из системы до уровня менее 100 мг/куб. м. Для этого использовались как влажные, так и сухие системы выдепывания. Вызов превратился в возможность по мере роста экологических требований. И эта возможность помогла разработать систему восстановления конвертерного газа с подавленным горением. Сегодня экономические и экологические требования диктуют сбор и эффективную переработку энергии конвертерного газа и железосодержащей пыли.

Обычно для обработки верхового конвертерного газа и восстановления энергии используются две системы: (i) частичное/полное горение, (ii) подавленное горение.

В системе полного (или открытого) горения (которая больше не применяется), процессный газ из конвертера сгорает в дымовом канале. Отверстие между конвертером и первичной (или конвертерной) вентиляцией обеспечивает поступление атмосферного воздуха и позволяет частичному или полному горению конвертерного газа. В этом случае процессный газ содержит около 15–20 кг пыли на тонну жидкой стали (тЖС) и около 7 кг CO-газа/тЖС. Энергия восстанавливается за счет чувствительного тепла в утилизационном котле. Когда газ ККД сгорает в дымовом канале, дымовые газы выбрасываются и должны соответствовать местным экологическим нормам. В системах открытого горения наблюдается большой расход (около 1000–2000 Н куб. м/тЖС) из-за введения воздуха в газовый канал ККД.

По мере увеличения объема конвертеров оборудование для очистки отходящих газов становится больше. Крупные конвертеры используют систему без горения по нескольким причинам: относительно небольшие размеры системы в целом, простота обслуживания и стабильная эффективность выдепывания. В начале 1960-х разработали процессы восстановления высококалорийного верхового газа конвертера для использования в качестве газифицированного топлива внутри завода. Это достигнуто за счет подавленного горения.

Системы подавленного горения дают наилучшую возможность для восстановления и тепла, и топлива. Юбка опускается над горловиной ККД во время дутья кислородом для уменьшения инфильтрации воздуха и подавления горения CO-газа в дымовом канале. Полученный CO-богатый газ собирается, очищается и запасается для последующего использования как топливный газ в сталелитейном заводе. Утилизационный котел, вырабатывающий высоконапорный пар, может восстановить чувствительное тепло газа до очистки и запасания. Это восстанавливает около 10–30% (0,1–0,3 ГДж/тЖС) от общей энергетической выдачи. Еще 50–70% восстанавливается как химическая энергия (CO) из газа ККД. Общая энергетическая отдача при применении подавленного горения с восстановлением конвертерного газа и утилизационным котлом может достигать 70–90%. Экономия энергии может составлять 0,35–1,08 ГДж/т стали с герметичной системой. При экономии энергии 0,92 ГДж/т стали выбросы CO₂ снижаются на 46 кг/т стали. Восстановление энергии снижает генерацию CO₂ от использования ископаемого топлива и электроэнергии примерно на 0,05 т CO₂/т стали. Конвертерный газ обычно не собирается в начале и конце дутья из-за низкой калорийности и содержания CO, а сжигается на факеле. Таким образом, выбросы CO₂ неизбежны. Преимущество подавленного горения перед открытыми системами — меньший расход газа, так как горения нет и дополнительный воздух не вводится. Охлаждающие и газоочистные системы поэтому меньше. Это также приводит к более высокой производительности, так как скорость дутья кислородом может быть увеличена и снижается энергопотребление вентиляторов. Установка экспертной системы для оптимизации сбора конвертерного газа может сэкономить около 30 МДж/т грубой стали.

Процессное оборудование, установленное над горловиной конвертера, выполняет функции охлаждения, очистки и восстановления конвертерного газа с помощью подавленного горения. При подавленном горении конвертерного газа восстанавливается 70–100 куб. м конвертерного газа на тонну грубой стали с калорийностью 1600–2000 ккал/Н куб. м газа. Кроме того, 80 кг/т грубой стали пара также производится при адаптации системы испарительного охлаждения верхового газа. Восстановленный конвертерный газ смешивается с другими побочными газами (коксовой газ, доменный газ) и используется в сталелитейном заводе как топливо. Пар преимущественно используется вакуумной дегазационной установкой вторичного сталиварения.

Процесс очистки газа

Поскольку очистка стали происходит в короткий период времени, около 35 минут на заложу, концентрация пыли очень высока. В конвертерах без горения с функцией восстановления газа концентрация пыли на входе первого выдепывающего устройства составляет 70–80 г/Н куб. м. Конвертеры без горения, не сжигая CO-газ, управляют объемом всасываемого воздуха из горловины и контролируют концентрацию ниже взрывоопасного предела, тем самым восстанавливая CO-газ как топливо. Очистка отходящих газов состоит из системы охлаждения и системы очистки.

Когда газ ККД восстанавливается для использования как топливо, он должен соответствовать определенным требованиям. В настоящее время в большинстве конвертерных цехов газ конвертера восстанавливается как топливо путем внедрения системы подавленного горения. Благодаря системе подавленного горения объем образующегося конвертерного газа составляет около 50–100 Н куб. м/тЖС. Это приводит к значительным различиям в размерах первичных выдепывающих установок. Сниженный расход отходящих газов, характеризующий метод подавленного горения, приводит к более высокой массовой концентрации сырого газа, и поэтому эффективность системы восстановления пыли должна быть повышена для идентичной пылевой нагрузки чистого газа. С точки зрения восстановления пыли, принцип подавленного горения позволяет использовать выдепывающие системы, рассчитанные на меньшие объемные расходы, что необходимо для достижения более высоких степеней восстановления пыли. Первичное выдепывание обычно выполняется вентури-скраберами (около 60% конвертерных цехов) или сухими и влажными ЭО (электрофильтрами). Перед вентури или ЭО крупные частицы обычно удаляются дефлектором и т.п. Схема системы восстановления газа в ККД показана на рис. 1.

Рис. 1 Схема системы восстановления газа в конвертере основного кислородного домна

Системы подавленного горения можно в основном разделить на два типа: (i) тип OG и (ii) тип IC (IRSID-CAFL). Система типа OG в основном не имеет пространства между горловиной и юбкой ковша и контролирует давление в закрытой горловине. Система типа IC имеет зазор в несколько сотен миллиметров между горловиной и юбкой ковша (которая имеет немного больший диаметр, чем горловина) и контролирует давление на отверстии горловины. Система без горения поддерживает низкую температуру газа и исключает горение воздуха. Поэтому охлаждающее устройство и выдепывающее устройство, установленные в системе, меньше, чем в системе с горением. Поскольку система обрабатывает газ, состоящий преимущественно из CO, внимание должно быть уделено герметичности для отверстий загрузки флюса и охлаждающего средства и дьюерного копия, контролю утечек на периферии устройств и продувке у газосборных частей.

Система типа OG часто используется из-за своей оперативной стабильности. Система охлаждения типа OG позволяет не только восстанавливать чувствительное тепло отходящих газов в виде пара, но и повышать эффективность ИД-вентилятора (индукционного вентилятора) за счет снижения температуры отходящих газов охлаждающим устройством. Система OG обычно проектируется для восстановления высокого процента скрытого и чувствительного тепла верхового конвертерного газа. Нарисованная схема системы подавленного горения типа OG для восстановления конвертерного газа показана на рис. 2.

Рис. 2 Набросок системы подавленного горения типа OG

Процесс

Во время дутья конвертера для производства стали атмосферный воздух смешивается с газом у горловины конвертера. Количество атмосферного воздуха, входящего в систему у горловины конвертера, контролируется давлением ковша и подвижной юбкой. Во время периода дутья начальная стадия — стадия, богатая O₂. На этой стадии коэффициент избытка воздуха (лямбда) равен 1. В этой стадии первичный газ сгорает полностью, и восстановление газа не происходит в этот период. После этого начинается стадия, богатая CO, где лямбда меньше 1. На этой стадии происходит только частичное окисление и образуется горючий отходящий газ, содержащий CO, CO₂ и N₂. После этого начинается основная стадия декарбуризации, которая приходится примерно на середину периода дутья. На этой стадии коэффициент избытка воздуха (лямбда) держится на минимальном значении, около 0,1. В этот период восстанавливается максимальное количество газа. В конце дутья значение лямбды снова устанавливается в 1, и образующийся газ сгорает полностью без восстановления газа.

Восстановление конвертерного газа системой подавленного горения имеет преимущество в структуре системы, которая намного компактнее структуры системы с полным горением, и поэтому она более гибка для адаптации к требованиям площадки. Во время процесса давление газа в ковше контролируется для предотвращения вырыва газа из горловины конвертера и контроля коэффициента избытка воздуха (лямбда). Управление системой важно, так как она обрабатывает взрывоопасные отходящие газы (преимущественно CO-газ). Система должна эксплуатироваться безопасно. Система должна иметь высокую энергетическую эффективность и восстанавливать и скрытое, и чувствительное тепло отходящих газов.

CO-богатый газ, выходящий из конвертера, сначала охлаждается в ковше конвертера косвенно либо охлаждающей водой, либо системой испарительного охлаждения (ЭОХ), чтобы снизить его номинальную температуру с 1600–1700 °C до около 900 °C. Конвертерные цехи, использующие ЭОХ, восстанавливают часть чувствительного тепла отходящих газов в виде низконапорного пара. Охлаждение конвертерного газа до 900 °C необходимо для предотвращения образования водяного газа (CO + H₂) при влажной очистке. Известно, что водяной газ высоковзрывоопасен.

Система должна иметь высокую пылесборную эффективность. Восстановленный газ очищается либо влажным, либо сухим типом газоочистных установок. Более 90% современных систем выдепывания в мире работают на основе влажного процесса газоочистки. Эти системы способны соответствовать требованию менее 50 мг/Н куб. м пыли. В влажной системе восстановленный конвертерный газ очищается в вентури-скраберах с последующей обработкой в каплеуловлинителях. Очищенный газ затем запасается в газгольдере для стабильной подачи в систему распределения газа после дополнительной очистки в ЭО или выбрасывается ИД-вентилятором через факел после сжигания. Суслообразовавшийся при влажной очистке транспортируется в утолщитель через гидросифон, желоб и тараторный классификатор для влажной обработки. Химикаты добавляют для коагуляции и лучшего разделения. Перелив утолщителя перекачивается обратно после охлаждения, а ил дальше обрабатывается в вакуумном или прессовом фильтре для использования в агломерации.

Сухие газоочистные установки с ЭО могут достичь пылесодержания менее 15 мг/Н куб. м. При сухой очистке крупная пыль из конвертерного газа после охлаждения в утилизационном котле отделяется в испарительной камере, за чем следует электрофильтр для удаления мелкой пыли. Сравнение влажных и сухих типов газоочистных установок показано в табл. 1. Сухие газоочистные установки имеют хорошее будущее благодаря более низкому энергопотреблению, более высокой эффективности и лучшему качеству конвертерного газа и экономичному способу переработки пыли.