Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Физические процессы предварительного подогрева лома 7
1.1.1. Формирование тепла отходящих газов 7
1.1.2. Газообразование в агрегатах плавки стали и дожигание отходящих газов 10
1.2. Химические процессы, сопровождающие процесс подогрева металлолома 18
1.2.1. Состав газов до процесса предварительного подогрева 18
1.2.2. Влияние процесса подогрева на химический состав газов 21
1.3. Энергетический баланс ДСП с предварительным подогревом металлолома 32
1.4. Существующие процессы предварительного подогрева металлолома 42
1.5. Заключение. Цель и задачи исследования 51
ГЛАВА 2. Совершенствование потока и теплообмена отходящих газов в шахтном подогревателе 56
2.1. Передача тепла отходящих газов металлической шихте 56
2.2. Проблема отходящих газов в существующих шахтных подогревателях 70
2.3. Передача тепла отходящих газов в существующих шахтных подогревателях 74
2.4. Поток отходящих газов в существующих шахтных подогревателях 86
2.5. Конструктивные решения, улучшающие поток и теплообмен отходящих газов 91
2.6. Заключение 100
ГЛАВА 3. Термическое исполнение шахтного подогревателя, улучшающее процесс подогрева металллолома 104
3.1. Существующее термическое исполнение шахтного подогревателя 104
3.2. Конструкция, улучшающая термическое исполнение шахтного подогревателя 110
3.3. Заключение 119
4. Комбинированный процесс предварительного подогрева металлолома 123
4.1. Переход от вторичных к первичным мероприятиям, улучшающим процесс предварительного подогрева металлолома 123
4.2. Комбинированный процесс подогрева металлолома на основе шахтного подогревателя 126
4.3. Энергетический баланс комбинированного процесса подогрева металлолома 133
4.4. Заключение 145
5. Совместная работа шахтного подогревателя и модулей газоочистки 148
5.1. Совместная работа шахтной печи и модулей газоочистки при существующей технологической схеме 148
5.2. Изменения в системе модулей газоочистки, связанные с комбинированным процессом подогрева металлолома 156
5.3. Заключение 162
- Газообразование в агрегатах плавки стали и дожигание отходящих газов
- Существующие процессы предварительного подогрева металлолома
- Поток отходящих газов в существующих шахтных подогревателях
- Комбинированный процесс подогрева металлолома на основе шахтного подогревателя
Введение к работе
Актуальность темы. Основным фактором снижения себестоимости в производстве электростали является замена электрической энергии на более дешёвые альтернативные виды природный газ, жидкое топливо и уголь. В инновационном развитии электросталеплавильного производства особое значение имеет фактор снижения потребления электроэнергии, стоимость которой в составе общей себестоимости составляет примерно 50…60%. Потребление электрической энергии в прошлом снижалось в основном за счёт применения газо-кислородной техники, а в дальнейшем может быть снижено за счёт использования тепла отходящих газов.
Для этих целей на протяжении последних 40…50 лет были созданы различные виды конструкций предварительного подогрева лома. Основными типами из них являются: автономные установки сушки и подогрева лома, использующие энергию природного топлива, установки предварительного подогрева лома с использованием тепла отходящих газов в сосуде вне агрегата печи, подогрев лома в системах подачи шихты, интегрированные установки подогрева лома (шахтные печи) и ряд других типов установок. Они достигли показателей экономии электроэнергии, которые лежат в пределах 30…80 кВт ч/т.
Внедрение интегрированных установок дало большой скачок в развитии и интенсификации процесса предварительного подогрева лома. Они решили ряд проблем, связанных с транспортировкой горячего лома, и устранили длинные газоходы, которые часто выходили из строя и были дорогими в обслуживании. Экономия электроэнергии на данных типах установок составляет 70…100 кВтч/т, время плавки сократилось до 36 мин.
Однако на установках данного типа, как и на предыдущих с трудом соблюдаются нормы по выделению в окружающую среду вредных веществ. Основными представителями из них являются летучие углеводороды (VOC-Volatile organic compound), диоксины/фураны (PCDD/F Polychlorierte Dibenzodioxine und Dibenzofurane) и ряд других вредных веществ, которые образуются в результате неполного сгорания органических примесей при нагреве металлолома. Причиной неполного сгорания органических примесей, содержание которых колеблется от 5 до 25 кг в одной тонне бытового лома, является недостаточное количество тепла отходящих газов. Данное количество тепла составляет около 65 % энергии, которая необходима для «полного» подогрева лома до 800 С и отходящих газов до 850…900 С. Проведённые широкомасштабные измерения и исследования на ряде Европейских сталеплавильных предприятий показали, что соблюдение современных норм выделений диоксинов/фуранов можно технически реализовать при условии, когда температура отходящих газов после шахтного подогревателя лежит в пределах 900…450 С. В существующих шахтных подогревателях температура на выходе лежит в пределах 1200...150 С.
Для соблюдения современных норм выделения вредных веществ отходящие газы после процесса подогрева лома необходимо нагреть до температуры 850…900 С, а затем резко охладить до 250 С. Для этого в систему дожигания отходящих газов необходимо вводить дополнительную энергию не менее 10…15 кВтч/т при условии, что в системе нет посторонних подсосов воздуха. Данные технологические трудности и требования по выделению вредных веществ нередко сводили экономию энергии к нулю и принуждали к отказу от процесса предварительного подогрева лома.
Таким образом, при соблюдении норм выделений вредных веществ в окружающую среду все известные процессы лишь устраняли негативные последствия предварительного подогрева лома. На современном этапе, в связи с введением жёстких экологических норм по выделениям вредных веществ и дальнейшим удорожанием всех видов энергии, ставится задача нахождения путей устранения причин образования основных источников вредных веществ и дальнейшего снижения удельных расходов энергии при производстве стали.
Цель и задачи работы. Целью данной работе является совершенствования конструкции и тепловой работы шахтных подогревателей ДСП с учётом современных экологических требований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
-
Оптимизировать конструктивное исполнение шахтного подогревателя для улучшения организации газового потока и теплообмена между отходящими газами и ломом.
-
Усовершенствовать термическое исполнение шахтного подогревателя для улучшения работы системы дожигания отходящих газов и показателей подогрева лома.
-
Разработать новый процесс комбинированного подогрева лома в шахтном подогревателе, отвечающий современным требованиям электрометаллургического производства и экологическим требованиям.
-
Составить и проанализировать тепловой баланс нового комбинированного процесса подогрева лома.
-
Выявить преимущества комбинированного процесса подогрева лома.
Научная новизна и положения, выносимые на защиту. Научная новизна работы заключается в разработке нового комбинированного процесса подогрева лома, который устраняет основные причины образования вредных веществ и приводит к снижению потребления электроэнергии.
В работе установлены следующие теоретические положения:
1. Впервые введено и обосновано понятие «температура полного подогрева лома», которая ещё обеспечивает высокое значение теплового к.п.д. газо-кислородных систем горения, но, в то же время, исключает образование высокотоксичных веществ.
2. Показано, что основной причиной образования вредных веществ при предварительном подогреве лома является недостаточная энтальпия отходящих газов. Она составляет не более 65 % от количества теплоты, необходимой для достижения температуры полного подогрева лома.
3. Определены виды теплопереноса в различных зонах по высоте столба лома шахтного подогревателя. Установлено, что основным видом теплообмена является конвективная теплоотдача.
4. Выполнены расчёты скоростей потока отходящих газов, представлено распределение зон принудительного и свободного конвективных потоков в шахтном подогревателе. Показано негативное влияние на процесс подогрева лома наличие зоны свободного конвективного потока.
5. Выявлено отрицательное влияние на процессы предварительного подогрева лома и образование вредных веществ подсоса холодного воздуха. Обоснована целесообразность применения в шахтном подогревателе симметричного отвода отходящих газов.
6. Анализ термического исполнения шахтного подогревателя показал, что водоохлаждаемые панели играют роль холодильника. В целях накопления тепла при холостом режиме работы и для отдачи тепла при рабочем режиме вместо панелей целесообразно использование термических плит накопителей тепла.
7. Предложен комбинированный процесс подогрева лома, который стабилизирует тепловую работу шахтного подогревателя и позитивно влияет на работу последующих модулей газоочистки. Он создаёт оптимальные условия сгорания органических примесей в металлоломе, которые сгорая, выступают дополнительным источником тепла, что позволяет более полно использовать энтальпию отходящих газов и выдерживать нормы выделения вредных веществ при всех режимах работы шахтной печи.
Практическая значимость работы.
1. Использование симметричного отвода отходящих газов уменьшило зону свободной конвекции с 1/3 до 1/9 объёма шахтного подогревателя, средняя температура лома повысилась на 37 С, расход электроэнергии снизился на 5…7 кВтч/т.
2. Применение шиберного затвора на уменьшило подсос холодного воздуха по сравнению с колпаком шахты, температура отходящих газов повысилась на 44 С, расход природного газа на дожигание отходящих газов снизился на 6 %.
3. Комплексные мероприятия по улучшению шахтного подогревателя второго поколения снизили время выброса неорганизованных газов в цех с 5…7 до 1…2 мин за время плавки. Повысилось время организованного отсоса отходящих газов, снизились неконтролируемые выбросы вредных веществ в помещение цеха.
4. Введение в конструкцию шахтного подогревателя термических плит даёт экономию энергии в размере 10,6 кВтч/т, среднее повышение температуры лома составляет 7 С, температура отходящих газов повышается на 18 С. Термические плиты снизили коэффициент теплопередачи на 35 %, потери тепла через водоохлаждаемые панели снизились при рабочем режиме работы с 37,2 кВтч/т на 27,7 кВтч/т; при холостом режиме работы с 71,9 кВтч/т на 53,5 кВтч/т. Количество воды на охлаждение шахтного подогревателя снизилось с 812,4 м3/ч на 604,2 м3/ч.
5. Термические плиты при холостом режиме работы снижают температуру отходящих газов на 252 С и ограничивают её не более 1100 С.
6. Комбинированный процесс подогрева повышает среднюю температуру лома на 250 С и доводит её до 800 С, удельный расход электроэнергии снижается до 220 кВтч/т. Мощность питающего трансформатора снижается на 26 %, время работы под током на 8 мин, а производительность сталеплавильного агрегата повышается на 22 % по сравнению с существующим шахтным подогревателем.
7. Температурные характеристики шахтного подогревателя обеспечивают полное сгорание органических примесей, что даёт при их содержании в бытовом металлоломе 10 кг/т дополнительно 53 кВтч/т энергии.
8. Применение комбинированного процесса подогрева лома стабилизирует работу модулей газоочистки, позволяет отказаться от камеры дожигания и использовать тепло отходящих газов в рекуперативных целях.
Апробация работы. Результаты работы были представлены на XIII и XIV международных научных конференциях «Современные проблемы электрометаллургии стали» (2007 и 2010 гг., г. Челябинск) и на выставке «Литмаш» (май 2010 г., г. Москва), обсуждались на технических советах фирмы «Сименс ФАИ Металз Текнолоджиз ГмбХ» (ноябрь 2008 г., март 2009 г., Вильштетт-Легельсхурст, Германия), предприятий «Сталь Герлафинген» (март 2008 г., г. Герлафинген, Швейцария) и «Северсталь» (июль 2009 г., июнь 2010 г., г. Череповец, Россия), на 62-й научной конференции Южно-Уральского государственного университета.
Публикации. Содержание работы отражено в 8 печатных публикациях, 6 из которых опубликованы в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 – в материалах международной конференции и 1 немецким патентным ведомством.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, литературного списка из 149 наименований и 30 приложений, изложенных на 182 страницах машинописного текста, содержит 22 таблицы и 51 рисунок.
Газообразование в агрегатах плавки стали и дожигание отходящих газов
Газы электросталеплавильных агрегатов, проходя через столб шихты, наряду с падением температуры от 150 до 500 С [61], также изменяют свой химический состав. Эти изменения в основном вызваны результатом неполного сгорания органических примесей в металлоломе в условиях нехватки кислорода [40, 49-56]. Исследования со стороны металлургических предприятий показали, что вредные вещества, такие, как диоксины и фураны, также выделяются при переплавке оборотного металлолома, который не содержит органических примесей [57]. Очевидно синтез данных вредных веществ происходит при присутствии органических составляющих, которые попадают в ванну печи вместе с легирующими элементами.
Во время предварительного процесса подогрева металлолома, в котором содержатся органические составляющие, происходят следующие процессы: а) полное термическое сгорание органических веществ в высокотемпературной зоне подогрева металлолома. б) образование ароматических углеводородов при неполном сгорании органических веществ. В интернациональной литературе используется сокращённое название: VOC. в) образование диоксинов, и фуранов при частичном сгорании и тлении органических веществ. В интернациональной литературе используются сокращения PCDD и PCDF. г) образование СО, СО2 NOx, S02 и других побочных газов в низко и высокотемпературных зонах скрапа при наличии соответствующих элементов, которые образуют данные соединения. а) Полное термическое сгорание органических веществ. В одной тонне обычного бытового металлолома содержится от 5 до 25 кг пластмасс, масел, полихлорвиниловых материалов и др. органических соединений [66]. В автомобильном металлоломе, после предварительно демонтажа цветных металлов, содержится от 10 до 20 % примесей органического характера [69, 72-73]. В нижней высокотемпературной зоне металлической шихты, при температурах выше 850 С, происходит полное сгорание углеводородных соединений. При процессе сгорания происходит расщепление богатых энергией углеводородных соединений в более низкое энергетическое состояние оксидов углерода и оксидов водорода. Разница химических энергий выделяется в виде тепла. При полном сгорании конечным продуктом являются двуокись углерода (СОг) и вода (Н2О). Для алифатических летучих углеводородов \/ОС (общая формула СХНУ) применима следующая упрощённая формула протекания химической реакции процесса сгорания [70]:
Фактически сгорание происходит путём цепных реакций радикалов, которые проходят через ряд промежуточных стадий. Сжигание углеводородной смеси приводит к большому количеству промежуточных продуктов, в особенности: алканы, алкены, алкины, алкоголь, альдегид, кетон, а также пероксид. При полном сгорании в пламени эти промежуточные продукты быстро взаимодействуют с О-, Н- и ОН - радикалами и распадаются до С02 и Н20. Таким образом, эти промежуточные продукты имеют очень незначительные концентрации в отходящих газах. После выше перечисленных промежуточных продуктов, ненасыщенные летучие углеводороды являются важнейшими представителями сгорания алифатических летучих углеводородов. При полном термическом сжигании углеводородных соединений в металлоломе, в основном пластмасс, используется тепло экзотермических реакций для подогрева шихты. Теплота сгорания пластмасс составляет около 30 МДж/кг, что приблизительно равно теплоте сгорания твёрдых полезных ископаемых [71]. Зона полного термического сгорания углеводородных соединений на примере шахтного подогревателя представлена на рис. 1.10.
Особое внимание следует уделить существующим агрегатам и.установкам, в которых созданы условия полного сгорания углеводородных примесей в металлической шихте. Компании «Мерседэс-Бенц» и «Фёст-Альпине» совместно разработали Е\/А-процесс (который базируется на известном в литературе К\/А процессе) по переработке автомобильного лома, который содержит большое количество органических компонентов и представляет собой особую сложность в отношении утилизации. В результате широкомасштабных исследований с целью нахождения оптимального экологического и экономического методов утилизации автомобильного скрапа, наиболее выгодным оказался метод высокотемпературной плавки; при котором исключается падение температуры в шихте. Плавка.ведётся в специальном реакторе, где температура отходящих газов составляет выше 1000 С. Высокая температура в реакторе и в отходящих газах создаётся при помощи газокислородных горелок и за счёт теплоты сгорания органических компонентов в скрапе. Данные условия предотвращают образование летучих углеводородов, диоксинов и фуранов [72-75]. Недостатком данного агрегата является высокая оксидация скрапа и низкий выход металла, около 85-87 %. Причиной тому является отсутствие реакционной ванны за реактором и невозможность работы с угольным порошком.
На базе 100%-го металлолома в СССР, в 80-х годах на основе Ют конвертера с комбинированным процессом дутья был разработан Тульский процесс плавки. Через сопла в днище конвертера вдувается кислород и природный газ для нагрева металлолома и рафинирования плавки. Боковые газо-кислородные горелки поддерживают процесс нагрева металлолома. После процесса нагрева металлолома боковые сопла также могут использоваться для вдувания чистого кислорода, с целью дожигания конвертерных газов. Процесс нагрева металлолома происходит также за счёт присадки кускового угля и вдувания кислорода через верхнюю фурму с 5-ю соплами. Таким образом, Тульский процесс позволяет в короткий срок нагреть скрап до температуры выше 850 С. и избежать процесса образования вредных веществ [76-79]. Процесс подогрева металлолома при данном процессе сопровождается большой оксидацией скрапа, особенно при температуре выше 1600 С. и повышенном износе футеровки конвертера [80].
Образование ароматических углеводородов. В условиях нехватки кислорода происходит неполное сгорание углеводородов и их промежуточных продуктов, в результате чего происходит их выброс. Кроме того, при нехватке кислорода, через рекомбинацию (моляризация) происходит образование длинных цепей ароматических углеводородов \/ОС, а также образование сажи. Соотношение кислорода к горючим веществам (углеводороды) является определяющим при образовании и выделении летучих углеводородов. Из-за содержания в металлоломе примесей органического характера, при работе ДСП 50 т без предварительного подогрева лома, происходит выделение около 0,1 кг/т. летучих углеводородов на тонну выплавляемой стали [70]. Во время процесса предварительного подогрева металлолома происходит образование практически всех представителей ароматических углеводородов по всей высоте столба шихты, где происходит падение температуры ниже 750 С. Это является результатом неполного сгорания пластмасс, красок, жира и др. органических составляющих в металлоломе. Многие представители ароматических углеводородов отнесены к группе веществ, которые вызывают раковые заболевания. Основными представителями групп ароматических углеводородов, которые образуются во время подогрева металлолома, являются [58]:
Существующие процессы предварительного подогрева металлолома
За время интенсивного развития и использования предварительного подогрева металлолома в производстве стали, накопился богатый теоретический и практический опыт. Из анализа, представленной в этой главе литературы,-которая является только основной в этой области, видно, какое пристальное внимание уделено в прошлом со стороны учённых и практиков данной теме. В настоящее время в данной области продолжается интенсивное теоретическое исследование и практические опыты по развитию данного процесса. Оно исходит из актуальной проблемы экономии энергоресурсов, сохранения окружающей среды и снижения себестоимости производства стали.
Однако, несмотря на богато накопленный теоретический и практический опыт в данной области, многие проблемы предварительного подогрева металлолома остались нерешёнными. Исходя из литературных источников, можно хронологически разделить развитие процессов предварительного подогрева металлолома на следующие периоды:
Период 50-х годов. Автономные установки подогрева металлолома. Период 70-х годов. Подогрев металлолома отходящими газами в сосуде вне агрегата печи. Период 80-х годов. Подогрев металлолома в системах подачи шихты (непрерывная подача с одновременным подогревом шихты). Период 90-х годов. Предварительный подогрев металлолома в шахтных печах (интегрированные с ДСП установки подогрева металлолома). Период начала 2000-х годов. Процесс порционного подогрева и подачи шихты в ДСП, процесс «СОББ». Каждый период развития процессов предварительного подогрева металлолома начинался новой конструктивной и технологической идеей, которая находила быстрый отклик у теоретиков и практиков. Об этом свидетельствуют массовые литературные источники, которые показывают множество научных конференций, конгрессов и статей на данную тему. Однако, после начального периода внедрения и эксплуатации тех или иных установок, выявлялись существенные недостатки, из-за которых внедрённый процесс либо приостанавливал своё дальнейшее использование, либо совсем выводился из эксплуатации. Таким образом, процесс предварительного подогрева металлолома, пройдя несколько этапов своего развития, до сегодняшнего времени не получил всеми ожидаемого массового распространения в производстве стали. Рассматривая существующую научную литературу и накопленный практический опыт в данной области, остались принципиально нерешёнными следующие проблемы: Существующие процессы предварительного подогрева металлолома мало учитывают сложившийся металлургический процесс ведения плавок; часто процесс подогрева шихты нарушает, либо изменяет сложившиеся процессы плавок. Процессы предварительного подогрева шихты недостаточно учитывают изменённый состав современной шихты (качество и состав, которой резко ухудшился), либо предъявляют особые требования к подготовке и качеству используемой шихты. Принятые в конце 80-х годах прошлого столетия во всех странах экологические нормы и требования по выделению вредных веществ в окружающую среду (из-за объективных требований и возросшего сознания по сохранению природы) и их дальнейшее ужесточение в начале 2000-х годов, поставили процесс предварительного подогрева металлолома в новые жёсткие рамки. Соблюдение данных требований сводили часто на нуль прямую экономическую эффективность многих процессов, либо заставляли вообще отказаться от предварительного подогрева металлолома. На основании анализа представленных материалов и сравнения существующих методов и процессов предварительного подогрева металлолома становится очевидным, что шахтный процесс обладает большим потенциалом для своего дальнейшего развития. Согласно инструкциям европейского технического сообщества (BVT-Beste verfgbare Technik), шахтная печь является наилучшим рекомендуемым агрегатом предварительного подогрева металлолома, находящимся на современном уровне техники. Шахтный процесс предварительного подогрева металлолома решил следующие принципиальные проблемы предшествующих установок: Необходимость в отдельно стоящем сосуде, где происходит подогрев металлолома. Отсутствие сложной и опасной логистики подогретого металлолома в сталеплавильных цехах. Компактная компоновка за счёт комбинирования агрегатов плавки и подогрева металлолома. Отсутствие длинных и сложных в обслуживании газоходов, которые были необходимы при подогреве металлолома вне агрегата печи. Повышение температуры подогреваемой шихты и коэффициента использования тепла отходящих газов. Достигнутая экономия электроэнергии в шахтных печах на тонну выплавленной стали составляет до 100 кВт ч/т. Уровень шума в шахтных печах снизился до 130 дБ. Повышение производительности агрегата за счёт одновременной возможности ведения процессов плавки и подогрева. Несмотря на вышеуказанные преимущества, шахтный процесс подогрева металлолома в настоящее время потерял динамику своего внедрения и распространения в электрометаллургическом производстве. Шахтный процесс в силу своих трудностей на первоначальном этапе развития и в связи с ужесточением норм выделения вредных веществ в окружающую среду, имеет в настоящее время следующие недостатки: Конфигурация потока отходящих газов в шахтном подогревателе сказывается негативно на работу шахтной печи и системы газоочистки. Температурные характеристики на выходе шахтного подогревателя ставят систему газоочистки в режим перегрузок, при которых соблюдение норм выделения вредных веществ, становится крайне сложным или невозможным. Подогрев по высоте столба металлической шихты происходит крайне неравномерно и недостаточно. Средняя температура подогретого металлолома не превышает 500-600 С. Уровень шума, несмотря на предварительный подогрев металлолома, остаётся крайне высоким, больше 120 дБ. Предварительный процесс подогрева в шахтных печах создаёт условия для повышенного образования летучих углеводородов (VOC) и диоксинов/фуранов (PCDD/F). Отходящие газы после процесса предварительного подогрева металлолома, с целью уничтожения вредных веществ, необходимо нагреть до температуры 850 С, а затем, для предотвращения процесса «Новосинтеза», резко охладить их до температуры 250 С. Исходя из существующих проблем предварительного подогрева металлолома, в данной работе ставится цель совершенствования тепловой работы шахтных подогревателей ДСП, которая учитывает современные экологические требования и повышает энергетическую эффективность сталеплавильных агрегатов, а также конструктивные предложения по реализации нового концепта подогрева металлолома в шахтных подогревателях. Задачи исследования: 1. Совершенствование конструктивного исполнения шахтного подогревателя, улучшающее поток и теплообмен отходящих газов при процессе предварительного подогрева металлолома. 2. Предложение термического исполнения шахтного подогревателя, улучшающее характеристики подогрева металлолома и системы дожигания отходящих газов. 3. Разработать новый процесс комбинированного подогрева металлолома шахтного подогревателя, который отвечает современным требованиям электрометаллургического производства и экологическим требованиям. 4. Рассчитать и представить тепловой баланс комбинированного процесса подогрева металлолома. Показать преимущества комбинированного процесса подогрева металлолома на примере работы шахтного подогревателя и модулей газоочистки.
Поток отходящих газов в существующих шахтных подогревателях
Основным видом теплопередачи, при процессе предварительного подогрева металлолома, является принудительный конвективный теплообмен, который создаётся внешним источником энергии. Тепловое излучение, исходящее от поверхности ванны печи, подогревает только нижнюю часть столба металлолома и не оказывает значительного влияния на среднюю температуру металлолома. Тепловое излучение газов также не оказывает значительного влияния на среднюю температуру металлолома, но является экстремальным режимом работы для модулей газоочистки при пустом шахтном подогревателе.
Из-за необходимости открывать и закрывать шахтный подогреватель перекрывающими устройствами (колпак шахты, шиберный затвор), между шахтным подогревателем и перекрывающим устройством возникают нежелательные подсосы холодного воздуха в систему отходящих газов. Данный подсос воздуха приводит к следующим негативным последствиям: - создание области свободного конвективного теплообмена, которая приводит к неравномерному и недостаточному прогреву металлолома, дополнительному выбросу газов и вредных веществ в окружающую среду, а затем в тракт неорганизованных газов, так называемый «каминный эффект». - дополнительное охлаждение отходящих газов после шахтного подогревателя, которое приводит к повышенному вводу энергии через систему горелок камеры дожигания. Подсос воздуха в шахтных печах значительно уменьшается применением конструкции шиберного затвора и лабиринтного уплотнения. 3. Отходящие газы целесообразно отсасывать симметрично (с обратной стороны шахтного подогревателя). Данное изменение потока отходящих газов имеет следующие преимущества перед отсосом газов с боковой стороны. - Более равномерный подогрев металлолома по длине и ширине шахтного подогревателя. - Повышение средней температуры металлолома при то же мощности тепла отходящих газов ДСП. - Уменьшение области свободного конвективного теплообмена. - Уменьшение выбросов отходящих газов в окружающую среду и в тракт неорганизованных газов во время завалок шахты металлической шихтой, выпуска шлака и плавки. 4. С целью уменьшения абразивной нагрузки и процесса «Новосинтеза» в последующих модулях газоочистки, необходимо у выхода газохода шахтного подогревателя установить камеру осаждения крупной фракции пыли и металла. 5. Для предотвращения термической перегрузки модулей газоочистки и предохранения фильтровальных рукавов от прогара, следует после шахтной печи предусмотреть устройство подачи холодного воздуха в поток отходящих газов, при превышении допустимой температуры отходящих газов ДСП. Улучшение потока и теплообмена в шахтном подогревателе дали следующие практические результаты предварительного подогрева металлолома и работы модулей газоочистки: - Отсос отходящих газов с обратной стороны шахтного подогревателя уменьшает «каминный эффект» на что резко снижает выбросы отходящих газов в цех и в тракт неорганизованных газов. - Увеличение средней температуры металлолома на 37 С., по сравнению с существующим шахтным подогревателем и применение шиберного затвора, снижает время плавки на 1,5 мин и снижает расход электроэнергии на 5-7 кВт-ч/т. - Установка шиберного затвора и лабиринтного уплотнения снизила подсосы холодного воздуха с 19 ООО до 5 ООО ст. м3/ч по сравнению с существующим колпаком шахты. - Уменьшение подсосов холодного воздуха повысило температуру отходящих газов перед камерой дожигания на 44 С. Необходимая мощность горелок камеры дожигания, для повышения температуры отходящих газов, снизилась с 24,9 МВт до 23,3 МВт, расход природного газа в камере дожигания снизился на 6 %, в расчёте на тонну произведённой жидкой стали. - Снижение времени выброса отходящих газов с 5-7 мин. до 1-2 мин. в цех и в тракт неорганизованных газов. Перенаправление потока отходящих газов в тракт организованных газов уменьшает выбросы в цех и общее выделение вредных веществ агрегата шахтной печи. Отсос потока в тракт организованных газов даёт возможность термической обработки отходящих газов, с целью разложения вредных веществ. - Установка камеры оса вдения пыли в переходной части позволяет осаждать крупные фракции пыли и металла отходящего потока газов. Данное мероприятие уменьшает абразивную нагрузку и снижает процесс «Новосинтеза» в последующих модулях газоочистки. Крупные фракции пыли и металла являются катализаторами и способствуют процессу «Новосинтеза». - Управление передвижной муфтой даёт возможность подсоса холодного воздуха при температуре более 900 С. Данное мероприятие позволяет избежать повреждения элементов газоочистки и прогара фильтровальных рукавов. - Снижение уровня шумов на 5-10 дБ за счёт повышения и равномерного подогрева металлолома в шахтном подогревателе. Эксплуатация первого и второго поколений шахтных печей выявила недостатки шахтных подогревателей в отношении их термического и механического исполнения. Составленные энергетические балансы работы показали относительно высокие удельные потери тепла через водоохлалодающие панели стен в шахтных подогревателях. Причиной тому является большая площадь водоохлаждаемых панелей шахтных подогревателей, переходной части и наличие «холостого времени работы» шахтной печи, которое характеризуется отсутствием металлолома в шахте. Данное время, в зависимости от агрегата и его режимов работы, составляет от 5 до 7 мин от общего времени плавки. При отсутствии металлолома шахтный подогреватель и переходная часть газохода испытывают большую термическую нагрузку от излучения отходящих газов печи. Далее отходящие газы печи подвергают температурной перегрузке последующие модули газоочистки, что негативно сказывается на процессе разложения и уничтожения вредных веществ. Из-за низкой температуры охлаждающей воды, по сравнению с температурой отходящих газов, у стеновых панелей шахтного подогревателя происходит интенсивный теплообмен с высокими коэффициентами теплопередачи, что сказывается на дополнительном охлаждении отходящих газов. Данное охлаждение отходящих газов требует дополнительного ввода энергии в камере дожигания, с целью сжигания летучих углеводородов и разложения диоксинов/фуранов.
Комбинированный процесс подогрева металлолома на основе шахтного подогревателя
Шахтный подогреватель является составной частью шахтной печи, в котором происходит предварительный подогрев металлолома и который оказывает решающее значение на компоновку и работу всех модулей газоочистки. В главах 1.1.2 и 1.2.2 описано влияние газообразования в шахтной печи и процесса подогрева металлолома на химический состав отходящих газов. Основные параметры шахтного подогревателя, оказывающие влияние на компоновку и работу модулей системы газоочистки, являются:
Из-за наличия различных периодов плавок в шахтной печи и необходимости регулировки давления под сводом печи, поток отходящих газов меняется в пределах от 40 до 600 м3/т ч. Данный диапазон изменения потока отходящих газов является расчётным при компоновке всех модулей системы газоочистки. Непрерывное его изменение в процессе плавки создаёт технологические трудности в работе многих модулей системы газоочистки. В зависимости от периодов плавки температура отходящих газов на выходе шахтного подогревателя составляет от 1200-800 до 350-150 С. Номинальной расчётной температурой для модулей газоочистки является 850 С, при которой создаются благоприятные условия для устранения вредных веществ в камере дожигания. Вышеуказанный перепад температур ставит
большинство модулей газоочистки в режим перегрузки и делает невозможным соблюдение норм выделения вредных веществ в окружающую среду во время отклонения температуры от номинального значения.
Переходная часть между шахтным подогревателем и камерой дожигания. Она состоит из колпака шахты, передвижной муфты и примыкающей секции камеры дожигания. Передвижная муфта необходима для механического разъединения неподвижной конструкции камеры дожигания и подвижного шахтного подогревателя во время подъёма и наклона шахтной печи. Ход передвижной муфты составляет от 50 до 100 мм и в рабочем положении полностью прилегает к поверхности колпака шахты. Основная проблема переходной части - уплотнение прилегающей части колпака к шахтному подогревателю. В результате большой площади прилегающей части колпака возникают непредусмотренные подсосы воздуха, которые до настоящего времени не удаётся полностью устранить существующей конструкцией. В таблице 1.5 представлены средние значения подсосов воздуха, вызывающие следующие негативные последствия на работу модулей газоочистки: Увеличение мощности горелок камеры дожигания. Перегрузка всех модулей газоочистки за счёт повышенного, непредвиденного потока подсасываемого воздуха. Подсос холодного воздуха на входе в камеру дожигания способствует процессу «Новосинтеза», образования летучих углеводородов (VOC) и диоксинов/фуранов (PCDD/F). Камера дожигания отходящих газов. Предназначена для повышения температуры отходящих газов до 850 С, с целью дожигания летучих углеводородов (VOC) и термического разложения диоксинов/фуранов (PCDD/F). Именно температура термического разложения диоксинов/фуранов определяет термическую компоновку последующих модулей газоочистки. Для эффективного дожигания летучих углеводородов и разложения диксинов/фуранов к камере дожигания предъявляются следующие технологические требования: Температура на выходе камеры дожигания должна составлять не менее 850 С. Объём камеры дожигания должен быть рассчитан таким образом, чтобы обеспечить время реакции для разложения диоксинов/фуранов, не менее 2 сек. Для разложения вредных веществ в камере дожигания должна быть обеспечена оптимальная концентрация кислорода, которая должна составлять 7-8 %. С целью достижения наилучшего смешивания потоков отходящих газов и системы горелок, геометрия камеры дожигания должна обладать благоприятными аэродинамическими характеристиками. Сбор крупных фракций пыли с целью снижения абразивной нагрузки на последующие модули газоочистки и снижения влияния катализирующих элементов в пыли на процесс «Новосинтеза». При оптимальной работе в камере дожигания происходит дожигание летучих углеводородов до требований экологических норм, как правило, без проблем. Однако это редко удаётся достичь для диоксинов/фуранов. После камеры дожигания, как правило, достигается значение диоксинов/фуранов около 2 [нг ТЭ/нм3], к тому же оно увеличивается в последующих модулях газоочистки в результате процесса «Новосинтеза», которого полностью избежать не удаётся. Довести значение выделения диоксинов/фуранов до 0,1 [нг ТЭ/нм3], согласно экологических норм, представляется экономически выгодным за счёт вдувания адсорбирующих элементов после камеры смешивания. Водоохлаждаемая часть газохода. Является соединительным звеном между камерой дожигания и охладителем газов. Водоохлаждаемый газоход должен обеспечить охлаждение отходящих газов с 850 до макс. 550 С. Это окно температур определяется зоной интенсивного процесса «Новосинтеза», которое лежит в пределах 550-250 С. Таким образом, водоохлаждаемая часть газохода должна обеспечить на выходе: Температуру отходящих газов около 550 С. Для исключения аварийной работы других модулей газоочистки, предельные отклонения температур на выходе водоохлаждаемой части газохода должны лежать в пределах 600-450 С. Принудительный воздушный охладитель. Оптимальным, с точки зрения соблюдения норм выделения вредных веществ, является охладитель пластинчатого типа с противотоком охлаждающих газов. Для предотвращения процесса «Новосинтеза» отходящие газы необходимо резко охладить. Для этого в прошлом применялись водяные охладители, которые работали на принципе водяного (спрейерного) распылителя. Однако, данные охладители показали существенные недостатки, которые влияют на работу последующих модулей газоочистки. Основными их недостатками являются: Применение водяного спрейерного охладителя приводит к увеличению потока отходящих газов до 30 %, что вызывает необходимость в увеличении размеров модулей газоочистки за охладителем. Повышенная влажность отходящих газов до 24 %, в сочетании с пылью, является катализатором и способствует процессу «Новосинтеза». Повышенная влажность отходящих газов ведёт к конденсации водяных паров и к забиванию рукавных фильтров, а также их выхода из строя. Водяной спрейерный охладитель склонен к забиванию и неравномерной характеристике охлаждения. В результате в потоке отходящего газа остаются высокотемпературные «газовые нити», которые выводят из строя рукавные фильтры. Применение воздушного охладителя пластинчатого типа устраняет вышеуказанные недостатки. Кроме того, пластинчатые охладители имеют равномерную характеристику распределения температур по всему потоку отходящих газов. Пластинчатая конструкция охладителя создаёт вибрацию стен, которая непрерывно ведет к осыпанию пыли и самоочищению охладителя. Однако, данный тип охладителя имеет повышенное аэродинамическое сопротивление (двойное значение спрейерного охладителя). Для компенсации данного сопротивления после искрогасителя предусмотрен промежуточный вентилятор. Таким образом, принудительный воздушный охладитель должен обеспечить следующие параметры отходящего газа:
![Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс]](/i/i/4263/169004.png "Совершенствование режимов работы блока доменных воздухонагревателей с целью повышения эффективности процесса нагрева дутья [Электронный ресурс] Рябчиков Михаил Юрьевич")
