Оптимизация очистки доменного печного газа для энергоэффективности

Очистка доменного печного газа

Процесс производства жидкого железа в доменной печи (ДП) генерирует газ на верху печи, который является важным побочным продуктом процесса ДП. Этот верховой газ ДП находится при температуре и давлении, существующих на верху ДП, и обычно загрязнен пылью и водяными частицами. Этот верховой газ имеет существенную калорийность и известен как сырой ДП-газ или загрязненный ДП-газ. Состав и количество этого верхового газа зависят от характера технологического процесса в доменной печи и типа и качества сырья, используемого для производства железа в ДП. Для дальнейшего использования сырого ДП-газа необходимо очистить его с помощью определенных процессных систем, снижающих содержание твердых частиц.

Верховой газ содержит угарный газ (CO) и после очистки известен как доменный печный газ. Он используется как топливный газ для нагрева дутья в горячих коллах, а также как дополнительное топливо на металлургическом заводе. Для использования ДП-газа как топливного газа необходимо, чтобы сырой ДП-газ был очищен и охлажден для уменьшения газовых объемов и влажности. Предварительное охлаждение и уменьшение газового объема также необходимы, так как это приводит к существенной экономии затрат на доставку по обширной распределительной системе металлургического завода.

Анализ и системы очистки

Типичный анализ доменного печного газа для ДП, работающей с впрыском пневматизованного угля (ППУ), приведен в Табл. 1. Процессные системы для очистки газа — либо влажная система очистки газа, либо сухая система очистки. Высокоэффективные системы очистки газа жизненно важны для надежной работы и долгой кампании высокотемпературной системы горячего дутья ДП, а также сети ДП-газа на металлургическом заводе. Влажная система очистки является более распространенной системой для очистки ДП-газа.

Табл. 1 Типичный анализ ДП-газа с ППУ
Компонент	Ед. изм.	Значение
CO	% об.	20–24
CO₂	% об.	18–23
H₂	% об.	1,5–4,5
N₂	% об.	52–57
SO₂	мг/м³	10–30
NH₃	мг/м³	5–21
Хлориды	мг/м³	50–200
Оксиды азота	мг/м³	3–12

Первичная функция системы очистки доменного печного газа — удаление механических примесей из этого газа. Кроме того, система также охлаждает газ для снижения его влажности, тем самым увеличивая его калорийность. Восстановленный ил/пыль содержит относительно высокие количества железа и углерода и поэтому может быть переработан через аггломерационный завод.

Знание процесса доменной печи необходимо для правильного проектирования и эксплуатации системы очистки газа. Подготовка заряда и тип рудного заряда (пельlets или аггломерат) влияют на количество и размер частиц пыли. Также выбор и подготовка флюсирующих материалов влияют на водную химию в системе скраббинга. Кальций может поступать в водную систему из известняка, используемого как флюс. Кокс и впрыскиваемые добавки вносят серу, хлориды, аммиак и оксиды азота. Газовый анализ варьируется в зависимости от материалов заряда и работы ДП с или без ППУ. Уровень производства и скорости дутья влияют на пылевую нагрузку в системе очистки газа.

Верхнее давление и перепад давления в скраббере (в случае влажных систем) влияют на эффективность сбора пыли, а также адсорбцию растворенных газов в скрабберной воде. Помимо базовых функций очистки и охлаждения верхового газа, скраббер и/или турбина восстановления энергии верхового газа также контролируют верхнее давление ДП. Для плавной и стабильной работы печи верхнее давление должно контролироваться и удерживаться максимально постоянным. Проектирование системы очистки газа должно, следовательно, быть полностью интегрировано с эксплуатацией доменной печи.

Во время операций, таких как зарядка, выпуск, уравнивание и смена коллов, неизбежно возникают вариации газового расхода и давления. Флуктуации обычно кратковременны, но значительной амплитуды и ощущаются на верху ДП, а также вниз по газовой системе. Система очистки ДП-газа должна быть спроектирована для обработки и контроля таких флуктуаций.

ДП-газ, выходящий из верху печи в случае работы с ППУ, содержит около 20–30 г пыли на нормальный кубический метр газа и не может использоваться как есть. Эта пыль содержит мелкие частицы кокса, материалов заряда и химических соединений, образующихся вследствие реакций в доменной печи. Типичное распределение размера частиц в сырой ДП-газе с использованием ППУ приведено в Табл. 2.

Табл. 2 Типичное распределение размера частиц в сырой ДП-газе с ППУ
Класс	Размер частицы, мкм	Средний размер, мкм	% распределения
1	0–10	5	9
2	11–30	20	8
3	31–60	45	12
4	61–100	80	17
5	101–200	150	17
6	201–400	300	17
7	401–600	500	10
8	601–800	700	10

Поскольку первичная цель очистки доменного печного газа — получение безпыльного, охлажденного газа для использования как топлива в печах металлургического завода, система очистки газа должна быть спроектирована для достижения этой цели.

Эффективное удаление смеси крупной и мелкой пыли из сильно загрязненного газа требует использования пылесборника и многовентюриной системы скраббинга. Эффективное охлаждение требует использования газовой охлаждающей башни перед сбросом ДП-газа в сеть ДП-газа завода. Сырой ДП-газ очищается в газоочистной установке в двух стадиях: первичная стадия очистки газа и вторичная стадия очистки газа. Типичная технологическая схема системы очистки ДП-газа показана на Рис. 1.

Первичная стадия очистки газа

Первичная очистка газа основана на гравитационном разделении и используется для удаления крупных частиц пыли. Это сухое разделение частиц пыли в верховом газе ДП перед влажным скраббингом и обычно выполняется гравитационным пылесборником или, недавно, крупногабаритными циклонами. На этой стадии удаляются все более крупные частицы. Цель — удалить как можно больше пыли в сухом состоянии для повторного использования и переработки. Переработанная пыль также должна быть низкой по цинку и свинцу для соблюдения лимитов цинкового баланса ДП. Эффективность удаления пыли сепаратором зависит от распределения размера частиц, от механизма разделения (гравитационная или центробежная сила) и в меньшей степени от входной пылевой нагрузки. Отделенная пыль обычно имеет размер более 10 мкм и собирается в бункере для хранения пыли, который обычно рассчитан на полтора суток накопления пыли, и опорожняется через систему выгрузки пыли.

Пылесборник — большой цилиндрический сосуд обычно с большим диаметром и необходимой высотой. Обычно он облицовывают для изоляции и предотвращения конденсации влаги в ДП-газе, чтобы пыль оставалась сухой и не сбивалась в комки, а свободно текла в коническую часть пылесборника у дна для периодического удаления.

Газ подается в пылесборник одиночным нисходящим трубопроводом и входит через верхнюю часть вертикальной трубой, которая ведет газ вниз внутри пылесборника. Эта труба расширяется в нижнем конце как перевернутая воронка, так что по мере прохождения газа вниз его скорость (и, следовательно, способность нести пыль) уменьшается, и большинство крупной пыли выпадает из газового потока и оседает в конусе на дне пылесборника. Поскольку дно пылесборника закрыто, а газовый выход находится у верха, направление движения газа должно развернуться на 180 градусов. Это резкое изменение направления потока заставляет больше пыли осесть.

Работа и эффективность конвенционального гравитационного пылесборника управляются законом Стокса. В 1851 году Джордж Стокс вывел выражение для силы трения (также называемой силой лобового сопротивления), воздействующей на сферические объекты с очень маленькими числами Рейнольдса (Re), например, очень маленькие частицы, в непрерывной вязкой жидкости, решив предел малой массы жидкости обычно неразрешимых уравнений Навье-Стокса.

Однако закон Стокса применим только к сферическим объектам с очень маленькими числами Re со скоростями оседания в ламинарной области. Для частиц с числами Re выше 0,2 и до 100 000 степень турбулентности становится значительной, приводя к дополнительной силе лобового сопротивления. Следовательно, скорость оседания (или терминальная) обычно ниже, чем предсказывает закон Стокса. Для этих размеров частиц терминальная скорость определяется корреляцией между числом Re частицы и ее коэффициентом лобового сопротивления, используя значения из таблиц Хейвуда. Альтернативно можно использовать корреляцию между числом Re и числом Архимеда (Ar) (действительной между Re = 0,2 и 20 000).

Если частицы падают в вязкой жидкости своим весом, то достигается терминальная скорость, также известная как скорость оседания, когда эта сила трения в сочетании с выталкивающей силой точно уравновешивает силу тяжести. На основе комбинированного закона Стокса и таблиц Хейвуда можно определить терминальную скорость каждой группы частиц. От терминальной скорости частиц можно рассчитать эффективность удаления, которая зависит от восходящей скорости газа в аннуляре пылесборника и, следовательно, от диаметра барабана.

В случае циклонного пылесборника работа и эффективность основаны на центробежных силах. В циклонном пылесборнике сырой ДП-газ вводится через одно или два касательных входа со скоростью, заставляющей частицы пыли к стенке и разделяющей их от газового потока. Циклонный пылесборник может иметь разные типы внутренней конструкции. Один тип циклона полностью пуст, в то время как другой имеет сложный входной купол и заменяемые направляющие лопатки.

Более высокая степень разделения пыли внутри циклона связана с центробежными силами и высокими окружностными скоростями внутри циклона по сравнению с технологией пылесборника. Более высокие скорости внутри сосуда требуют специальной защиты внутренних поверхностей сосуда. Пылесборник очень часто эксплуатируется без какой-либо защиты внутренних поверхностей из-за низкой скорости газа, но циклонная технология требует защиты этих поверхностей для предотвращения износа.

Циклонный пылесборник обычно с вихревиделителем (vortex finder), вершиной (apex), потоковым конусом и бункером сбора пыли с двойным выходом пыли. Эффективность сбора циклона сильно зависит от распределения размера частиц. Частицы ниже 5 мкм не удаляются из-за малой массы; частицы от 5 до 30 мкм частично отделяются, а частицы крупнее 30 мкм полностью отделяются в коническом пылесборнике. Общая эффективность разделения циклонного пылесборника выше, чем гравитационного. Удаленная сухая пыль содержит очень низкие концентрации цинка и свинца и может быть легко переработана. Циклонный пылесборник снижает пылевую нагрузку на вторичную стадию, состоящую из влажной очистки газа.

Пылесборник оснащен системой выгрузки пыли для сброса пыли партиями ниже под gầnатмосферным давлением для предотвращения накопления пыли в пылесборнике и снижения пылевых и газовых выбросов. Пыль обычно увлажняют перед сбросом на землю или непосредственно в самосвал/вагон ниже. В пылевом бункере установлены датчики уровня для индикации уровня. Сигналы от датчиков уровня используются для мониторинга накопления пыли, инициации цикла сброса пыли и выдачи аварийных сигналов низкого и высокого уровня.

Вторичная стадия очистки газа

ДП-газ после первичной очистки в пылесборнике, где удаляется большинство тяжелых частиц, переходит ко вторичной стадии очистки газа (скрабберам), которая является влажной системой очистки. На этой стадии ДП-газ очищается контактом с водой и почти все взвешенные частицы отделяются (более 99%). На некоторых заводах этот газ дополнительно направляют в электрофильтры. Очищенный газ после вторичной стадии очистки поступает в сеть ДП-газа завода и используется также для нагрева коллов ДП. Загрязненная вода из системы одновременно содержит высокие концентрации взвешенных частиц в диапазоне 500–10 000 мг/л и как таковая отправляется в отстойники/уточнителя-ггустители, где пыль оседает, а чистая вода сверху качается для повторного использования. Скрабберы доступны в широком диапазоне конструкций, размеров и производительностях. Они должны быть спроектированы преимущественно для сбора частиц.

Беспроблемная работа скраббера даже в условиях жесткого управления печью является предварительным условием экономичного производства железа в доменной печи. Конструкция скраббера должна быть оптимизирована для обеспечения высокой надежности и превосходной производительности. Характеристики, требуемые от скраббера: (i) множественные механизмы удаления пыли, (ii) минимальные потребности в воде для скраббинга, (iii) превосходный контроль верхнего давления, (iv) доказанная производительность и высокая эффективность, (v) низкие площадьные требования, (vi) низкое энергопотребление, и (vii) низкий уровень шума.

Размер частиц — один из самых важных факторов, влияющих на эффективность удаления скраббером. Крупные частицы удаляются гораздо легче, в то время как субмикронные частицы самые трудные для удаления.

Что касается механизма удаления пыли во влажном скраббере, разделение частиц пыли из доменного печного газа требует приложения силы, создающей дифференциальное движение частицы относительно газа и достаточного времени удержания для миграции частицы к собирающей поверхности.

Скрабберы для очистки доменного печного газа работают на базе основного аэродинамического принципа. Простая аналогия аэродинамического принципа: если водяные капли очень большого размера спроецированы на столкновение с частицами газового потока гораздо меньшего размера, то статистические шансы столкновения очень малы. По мере уменьшения размера водяных капель до размера, более близкого к размеру частиц газового потока, шансы столкновения улучшаются. Исследования показали, что поверхностная пленка, окружающая водяную каплю, имеет приблизительную толщину 1/200 ее диаметра. Частица газового потока в полете течет через линейную пленку вокруг капли без столкновения, если ее диаметр меньше 1/200 диаметра водяной капли. Но если диаметр водяной капли намного меньше, то столкновение произойдет. Частица 10 мкм требует водяных капель меньше 2000 мкм (200×10) для адекватного сбора. Эффективный скраббинг, следовательно, требует распыления воды до тонкости, связанной с размером частиц для захвата, чтобы обеспечить максимальный контакт с захватываемыми частицами. Кроме того, вероятность попадания водяной капли в частицы пыли пропорциональна пылевой концентрации. Одиночная частица пыли менее вероятно попадет в одиночную каплю, чем рой их. Для уравнивания этих факторов скрабберы регулируют по объему газа для скраббинга (измеряется перепадом давления газового потока) и воде для распыления (измеряется гидравлическим давлением на распылительных соплах). Высота и диаметр скрабберной камеры также подбираются под известные характеристики газа.

Основные механизмы разделения при скраббинге доменного печного газа состоят из: (i) инерционного перехвата, (ii) турбулентной (брауновской) диффузии, и (iii) перехвата линий течения. Когда малая частица взвешена в жидкости, она подвергается воздействию ударов молекул жидкости. Для ультрамелких частиц (коллоидов) мгновенный импульс, передаваемый частице, варьируется случайно, что заставляет частицу двигаться по хаотическому пути, теперь известному как брауновское движение. Инерционный перехват характеризуется разными инерционными силами варьирующихся масс. Когда пыльный газ течет вокруг собирающей водяной капли, частицы пыли большей массы не следуют линиям течения газового потока. Эти частицы, движимые силой инерции, ударяют и проникают водяную каплю, и таким образом удаляются из газового потока. Турбулентная диффузия высокоэффективна в удалении мелких частиц пыли из газового потока. Малые частицы, особенно те, что ниже примерно 0,3 мкм в диаметре, демонстрируют значительное брауновское движение и не движутся равномерно вдоль газовой линейки течения. Эти частицы диффундируют из газового потока к поверхности водяных капель и собираются. Этот механизм сбора может функционировать только в скрабберах, способствующих турбулентному течению газо-жидкостной смеси, работающих на низкой скорости и обеспечивающих достаточное время удержания. Перехват линии течения функционирует только если газовая линейка течения проходит в радиусе одной частицы от собирающей водяной капли. Частица пыли, движущаяся вдоль этой линейки, касается водяной капли и собирается без влияния инерции или турбулентной диффузии. Механизмы удаления пыли при водном скраббинге ДП-газа показаны на Рис. 2.

Пылесборник — лишь камера осаждения для удаления крупных частиц и снижения нагрузки на вентюри-скрабберы. Газ проходит через первичный вентюри (с сепаратором) и вторичный вентюри для еще более эффективного удаления механических примесей. Затем газ проходит через комбинацию капелоулавливателя/газовой охлаждающей башни. Очищенный, охлажденный газ затем отправляется в сеть ДП-газа металлургического завода. Адекватное охлаждение требуется для снижения уровня влаги газа, чтобы избежать проблем в линиях распределения ДП-газа и печах.

Рециркуляционная вода, собранная из первого вентюри, содержащая высокий уровень механических примесей, направляется напрямую в уточнитель-ггуститель. Рециркуляционная вода, собранная из сепаратора, рециркулируется в первый вентюри-скраббер. Дозавочная вода добавляется в уточнитель, и комбинированный перелив рециркулируется во вторичный вентюри. Таким образом, самая чистая вода контактирует с самым чистым газом и продвигается обратно к первому вентюри, а затем к уточнителю. Воду можно рециркулировать из ггустителя в скраббер или использовать для других целей, таких как закалка шлака.

Конвенциональная охлаждающая башня обычно используется для удаления тепла из воды газовой охлаждающей башни или скрабберной воды. Конструкция башни позволяет держать воду охлаждения и воду вентюри-скраббера раздельно. Скрабберная вода обычно содержит значительную жесткость и щелочность от мелкодисперсного известняка в заряде ДП. Следовательно, накипь часто встречается. Отложения оксида железа и несгоревшего углерода также являются проблемой во многих системах. Проблемы с отложениями чаще всего встречаются в соплах и горловине первичного вентюри, где газ содержит наивысший уровень механических примесей, и в трубопроводах и насосах, идущих к и от ггустителя.

Однако отложения могут возникать в любом из вентюри-скрабберов, сепараторах, газовой охлаждающей башне или линиях и насосах рециркуляции скраббера. Уточнение — еще одна основная проблемная зона, так как неадекватное разделение жидкость/твердое приводит к плохому качеству воды перелива уточнителя.

Недавно, на вновь построенных и реконструированных доменных печах, особенно в КНР, сухая очистка доменного печного газа мешковыми фильтрами нашла широкое применение. Сухая очистка газа имеет следующие отличия от влажной очистки с использованием вентюри-скрабберов:

• Отсутствие воды в процессе очистки устраняет или сокращает ряд водных хозяйств ДП, например: насосная станция осадка системы очистки газа, отстойники осадка и флокуляторы, насосная станция перекачки суспензии, циркуляционная насосная станция обратительного цикла очистки газа и т.д.
• Температура газа после очистки в диапазоне 100–120 °C, что на 50–70 °C выше температуры газа после влажной очистки. Также влажность газа снижается на 50–60 г/м³, что в сумме равно увеличению калорийности ДП-газа на 50–60 ккал/м³.
• Снижение пылевого содержания в ДП-газе до 2–3 мг/м³, что улучшает срок службы горячих коллов и также повышает производительность турбины восстановления верхнего давления.
• Экологическое улучшение на металлургическом заводе за счет лучшего удаления пыли из газа и устранения объектов по обращению с осадком.

Вторичная система очистки газа на базе сухой очистки состоит из следующего:

• Блок мешкового фильтра с несколькими секциями, в каждой из которых установлены несколько десятков фильтрующих мешков
• Система импульсной очистки мешков от пыли азотом
• Несущие и защитные металлоконструкции
• Системы газовых каналов с клапанами и компенсаторами тепловых расширений
• Система очистки и переработки захваченной пыли (пневматическая или со скребковыми конвейерами)
• Система подачи азота для продувки фильтров и пневмотранспорта пыли
• Система сброса давления из мешкового фильтра
• Блок хранения захваченной пыли
• Системы автоматизации, контроля и электрического управления

Мешковый фильтр обычно имеет 8–16 секций, расположенных в два ряда, где одна или две секции в резерве, еще одна в циклическом режиме продувки азотом, а остальные в режиме очистки газа. Для фильтрующего материала используют ткань с высокой огнеупорностью, износостойкостью и т.д. Кроме того, после химической обработки ткань легко очищается от пыли при продувке, так как она имеет улучшенные водо- и маслоотталкивающие свойства. Ткань также предотвращает возникновение электростатического тока. Максимальная фильтрационная скорость 1,0–1,5 м³/мин, а температура газа 50–280 °C (система может также стабильно (надежно) работать 2 часа при температуре газа 300 °C).

Нормальное пылевое содержание доменного печного газа после очистки обычно не более 3 мг/м³. Срок службы фильтрующих мешков обычно до двух лет.