Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА I. Литературный обзор 7
1.1. Электропечь - источник пылегазовыделений 8
1.2. Система пылеулавливания 21
1.3. Постановка задачи ,
1.4. Выводы 34
ГЛАВА II. Методика проведения исследований 35
ГЛАВА III. Экспериментальные исследования закрытых РВП при выплавке различных ферросплавов 42
3.1. Исследования газопылевого выброса при выплавке различных ферросплавов 43
3.1.1. Расход газов 44
3.1.2. Запыленность отходящих газов 58
3.1.3. Температура газов 70
3.1.4. Дисперсный состав пыли 77
3.1.5. Химический состав газов 79
3.1.6. Химический состав пыли 83
3.2. Осалщение частиц пыли из газов в процессе их движения в ванне печи 87
3.2.1. Коагуляция 89
3.2.2. Фильтрация слоем шихты 94
3.2.3. Диффузиофорез 98
3.2.4. Термофорез 98
3.2.5. Турбулентность газового потока 99
3.3. Выводы 100
ГЛАВА IV. Исследования системы пылеулавливания различных рудовосстановительных электропечей 102
4.1. Эффективность пылеулавливания I ступени очистки 102
4.1.1. Схема с полым скруббером 102
4.1.1.1. Исследования работы наклонного орошаемого газохода 102
4.1.1.2. Исследования работы полого скруббера 107
A. Инерционный механизм осаждения пыли 109
Б. Конденсационный механизм осавдения пыли ИЗ
B. Экспериментальные исследования работы полого скруббера 120
4.1.2. Схема с трубой Вентури 126
4.1.3. Выбор схемы I ступени очистки газов 128
4.2. Эффективность пылеулавливания II ступени очистки. 131
4.2.1. Расчет эффективности скруббера Вентури на основании энергетической теории мокрого пылеулавливания 131
4.2.2. Расчет эффективности скруббера Вентури по дисперсному составу пыли на входе в аппарат 141
4.3. Исследования газоочистки карбидных печей 148
4.4. Выводы 150
ГЛАВА V. Экономический эффект от проведенных исследований
- Система пылеулавливания
- Запыленность отходящих газов
- Осалщение частиц пыли из газов в процессе их движения в ванне печи
- Исследования работы наклонного орошаемого газохода
Введение к работе
Рост производства ферросплавов, осуществляемым в соответствии решениями ХХУ и ХХУІ съездов КПСС, базируется на улучшении тех-то-экономических показателей действующих рудовосстановительных зчей (РВП) и вводе в эксплуатацию новых усовершенствованных кон-фукций. При этом немалое внимание должно быть уделено и такой шной проблеме, как защита окружающей среды от вредных выбросов, )скольку интенсификация процесса выплавки ферросплавов приводит их увеличению в атмосферу РВП.
Важность этой задачи подчеркивается постановлениями ЦК КПСС СМ СССР "Об усилении охраны природы и улучшении использования эиродных ресурсов (й 898 от 29.12.78г.) и "О дополнительных ме-ІХ. по усилению охраны природы и улучшению использования природных зсурсов (№ 984 от 1.12.78г.).
Необходимость принятия мер для сохранения чистоты воздуха акреплены 18 статьей Конституции СССР и законом "Об охране атмос-эрного воздуха", принятым Верховным Советом СССР от 25.6.80г.
Вопросы очистки газов ферросплавных электропечей от вреднос-зй, как показала практика, наиболее успешно решаются на крупно-асштабных РВП, работающих в закрытом режиме. В этом случае обес-зчивается не только защита окружающей среды от вредных выбросов, ) и осуществляется использование очищенных газов в качестве энер-зтического топлива, что позволяет получить за счет утилизации га-а значительны!! экономический эффект. Поэтому внедрению закрытых эчей в промышленности уделяется в настоящее время наибольшее шмание.
Переход к выплавке ферросплавов в закрытых РВП в СССР начался 60-х годах и вызвал не только конструктивные изменения, но и зменение параметров этих печей по сравнению с открытыми печами.
В настоящее время в СССР полностью освоено в закрытых ВВП юизводство феррохрома (до мощности 16,5 МВЛ), ферросилиция (до )щности S3 МВА), ферро- и силикомарганца, а также СаС9 (до мощ- сти 63 ЫВА). Тем не менее, рдц вопросов, связанных с созданием освоением закрытых печей, например, выбор геометрических параметрої шны, очистка газа и др. еще не нашел окончательного решения.
В связи с тем, что в ферросплавных печах одновременно протека-1 тепловые, физико-химические, газодинамические и электрические юцессы, дальнейшим прогресс в деле совершенствования ферросплав-)го производства может быть достигнут лишь в результате проведения рокого круга комплексных исследований. В этих исследованиях, поми-) ферросплавных заводов, активно участвуют ВНИИЭТО, ВШШШЭО, МЕТ, Гипросталь, ДМЕТИ, НИИОГАЗ, ЛенНИИГипрохим и др. Большие слуги в развитии отечественной рудной электротермии принадлежат дным советским ученым Жердеву И.Т., Максименко М.С., Микулинско- А.С, Сисояну Г.А., Хитрику СИ., Щедровицкому Я.С. и др.
Данная работа ставит своей целью разработку рациональных усло-;й отвода пылегазового потока из-под свода ферросплавной печи, еспечивающих шнимально-возможный вынос взвешенных частиц (при тимальных режимах работы печи), и эффективной системы очистки га-в, позволяющем снизить содержание в газах взвешенных частиц до ебуемого уровня и утилизировать газы в качестве энергетического плива. Работа проводилась на целом ряде ферросплавных заводов "рмаковском, Запорожском, Зестафонском, Кузнецком, Никопольском, ровском, Стахановском), а также на химических заводах, производя-:х карбид кальция (Карагандинском заводе СК, Усольском хшлкомби-те) в тесном содружестве с вышеуказанными организациями в период 62-82г.г.
Исследование газоочистки печей вызвано не только санитарными энергетическими задачами, но и необходимостью обеспечения надеж сти системы газоотсоса, т.е. самой закрытой печи.
Диссертация выполнялась в соответствии с планом и тематикой ститута НИИОГАЗ и является законченным этапом проблемы 0.14.04 дание 01 "Создать и освоить высокоэффективное электротермическое орудование для получения качественных сталей и ферросплавов" остановление ПШТ СССР 1й 520 от 3.12.1975г.).
На защиту выносятся результаты теоретической и эксперименталь-и оценки процессов коагуляции и фильтрации слоем шихты, протека-их в ванне и позволяющих рассчитать высоту ванны закрытой ферро-лавной печи; обобщенная экспериментальная зависимость для рас-та объемного расхода реакционных газов перед газоочисткой; ре-льтаты теоретического и экспериментального исследования процес-в инерционного и конденсационного осаждения частиц пыли в полом руббере и инерционного осаждения в скруббере Вентури, а такие счетные зависимости по эффективности улавливания частиц в этих леуловителях.
Диссертация изложена на 169 стр. машинописного текста (в м числе 29 рис. и 24 табл.), имеются приложения.
Система пылеулавливания
Степень вредности выбрасываемых газов, как уде отмечалось, гределяется концентрацией двуокиси кремния, поскольку из всех эмпонентов пыли эта составляющая оказывает наиболее вредное яияние на организм человека (силикоз). Заболевание силикозом Услуживающего персонала в ферросплавных цехах наблюдается через -10 лет работы и находится в прямой зависимости от концентраті двуокиси кремния в рабочей зоне. Силикоз часто сопровожда-тся туберкулезом легких, появление которого иногда отмечает-я у работающих уже через 2-3 года /35/.
За рубежом требования в отношении взвешенных частиц таковы, то максимальная концентрация их в воздухе не должна превышать 0-100 мг/м3, из них собственно на печные выбросы приходится не олее 60 мг/м3. Такая остаточная запыленность выбрасываемых га-юв соответствует, например, едва видимой (на глаз) окраске дымов І производстве марганцевых ферросплавов /26/.
В СССР остаточное содержание пыли в выбрасываемых газах должно строго соответствовать требованиям санитарных норм 31-245-74. Если в пыли содержится двуокись кремния в количестве [0-70$, то предельно-допустимая концентрация (ІЩК) пыли в зоне іьіхания не должна превышать 2 мг/нн3, в случае же, когда двуокиси хремния более 70/Ь - ПДК составляет I глг/нм3. Р связи с этим остаточную запыленность выбрасываемых в атмосферу газов рекомендуется поддерживать по уровне, не превышающем 35 мг/пм3. При использовании отходяищх газов в промьппленности химсинтеза остаточное содержание пыли должно быть еще ниже (около о ыг/нм3), так как пршленяемые в процессах синтеза катализаторы очень чувствительны к посторонним примесям.
Для получения столь низкого значения остаточной запыленности необходимо применение системы пылеулавливания, включающей высо о о — .оэффективные пылеуловители, а так как температура газов высока см.табл.5), то необходимо предварительное охлаждение газов.
В системах очистки газов ферросплавных печей применяется олько испарительное охлаздение газов, основанное на испарении аспыленнои воды в газовом потоке, причем вспрыск воды осуществляется сразу яе после отвода газов из объема печи (у газоотвод-ого патрубка). Для очистки газов электропечей возможно применение двух схем чистки - "мокрой" и "сухой". Мокрая очистка газов закрытых РВЇЇ осуществляется в механи-еских скрубберах (дезинтеграторах) или скрубберах Вентури.
За рубежом такая очистка осуществляется в дезинтеграторе ипа Буффало-форге, представляющем собой многоступенчатый центро-ежный вентилятор с напоротл 600 Па и с водяными распылительными эрсунками /32/. Хотя эти скруббера и обеспечивают удовлетвори-эльную очистку газов, но они недостаточно эффективны при улав-ітвании частиц возгонного происхождения. Кроме того, они ограни-зны по производительности (не более 3400 м3/ч) и потребляют начительно большее количество воды, чем скруббер Вентури. ряде предприятий, особенно в производстве СаС9 /277, при-зняют мокрую схему очистки, состоящую из двух последовательно этановленных полых скрубберов с многоярусным орошением И- дезин-згратора типа Таизен. Зта система очистки обеспечивает необхо-імую очистку газов, но также требует большого расхода воды, ззинтегратор Танзена также шлеет ограниченную производительность и не может обеспечить необходимый отсос газов от печей эльшой мощности, а установка нескольких параллельно работающих шаратов экономически не оправдана. Кроме того, применение де-інтеграторов требует высокого уровня эксплуатации.
В Швейцарии, на метзаводе Валылоэса, на закрытых электропе-ах применяют мокрые электрофильтры, однако там до сих пор не айден удовлетворительный метод удаления шламовых отложений на задительных электродах даже с помощью добавки в оборотную воду азличных коагуляторов и поэтому время простоя установок еще зачительно /36/.
Наиболее широкое применение для. очистки газов мокрім спосо-эм нашли скруббера Вентури, обеспечивающие необходимую степень чистки при поддержании перепада давления на трубе Вентури по-ядка 20 кПа, что составляет около 1% мощности, потребляемой амой печыо.
Поддержание перепада на трубе Вентури осуществляется двумя утями: применением трубы Вентури с регулируемым сечением гор-овины или баыпасированием части очищенного газа обратно в газо-од перед трубой. Оба пути нашли широкое применение в производ-тве ферросплавов, однако первый путь получил пока на практике ольшее распространение /Ї5, 37/.
Как правило, скруббера Вентури работают на оборотном цикле о воде, поэтому расход "свежей" воды сводится к подпитке, ком-енсирующей испарившуюся воду и потери воды с выводимым шламом. ; работе /26/ приводятся данные по работе газоочистки со скруберами Вентури на закрытой печи мощностью 45 МВт, выплавляющей 0 -ный ферросилиций. Установка очищает 11000 нм3/ч газов при бщем расходе воды 17-22,5 м3/ч и обеспечивает при перепаде .2-17 кПа (низкие скорости газа в горловине трубы Вентури) осаточную запыленность газов до 183 мг/шл3.
Запыленность отходящих газов
Исследования показали, что запыленность газов в значительной степени зависят от толщины колошникового слоя шихты, в котором и осуществляются процессы фильтрации, теплообмена и т.п. (см. ниже). Так как толщина колошникового слоя определяется уровнем колошника и заглублением электродов в шихту, запыленность (и температура) газов зависит от электрического решила печи, главным образом, от напряжения Г! - , причем эта зависимость носит довольно сложный характер и имеет, как правило, точку перегиба, соответствующую так называемому "критическому" значению величи-ны полезного фазового напряжения - ИП(Т) Последняя зависит от вида выплавляемого сплава, геометрических размеров ванны РВЇЇ, технологических и электрических режимов работы печи и т.д., и определяется экспериментально.
Зависимость запыленности отходящих газов Z-., от напряжения И » при выплавке различных марок ферросилиция и марганцевых сила вов показана соответственно на рис.9 и 10 (номера кривых по табл.7). Параметры печей и значения И KTD для этих сплавов приведены также в табл.7.
Сдвиг точек перегиба при выплавке сплавов с различим содержанием кремния объясняется разной величиной активного сопротивления ванны печи. Чем меньше в сплаве кремния, тем меньше при прочих равных условиях сопротивление ванны, тем глубже сидят электроды, что и позволяет вести процесс плавки с большим напряжением ИД( за счет увеличения толщины слоя шихты над зоной электродуги, т.е. в этом случае мы имеем дело с меньшими значениями запыленности на выходе из РВЇЇ.
Как видно из рис.9-Ю, изменение высоты ванны и мощности трансформатора (увеличение объемной мощности в печи) или технологии плавки (увеличение числа газоотсосов) повлекло за собой сдвиг точек перегиба вправо, в сторону больших значений И _ даже при выплавке одного и того же сплава. На кривых 20 и 21 рис.10 значение ИП( достигнуто не было, но несомненно, что точка перегиба этих кривых лежит правее исследованных значений.
Процесс выплавки ФС-45 в круглой печи с увеличенной мощностью трансформатора равносилен процессу в печи с уменьшенной ванной: больший сдвиг точки перегиба на кривой 7 рис.9 может быть объяснен как увеличением мощности трансформатора и уменьшением диаметра ванны печи, так и работой двух газоотсосов.
Вышеуказанные факторы способствуют большему выделению полезной мощности в печи, убыстряя скорость протекания физико-химических превращений в ванне, что в конечном счете позволило поднять в круглых печах значение \$КЩ) примерно на 25% по сравнению с печью РКЗ-16,5 и существенно увеличить выход реакционных газов из печи О ух. (см вше)
Использование двух-трех одновременно работающих газоотсосов при выплавке высококремнистого ферросилиция ФС-65 при одинаковой глубине ванны позволило полностью снять вопрос забивания подсво-дового пространства печи конденсирующимися возгонами металлов и значительно увеличить газопроницаемость шихты за счет более равномерного отбора реакционных газов из объема РБП. Работа печи с двумя или больше газоотсосами почти не отражается на абсолютной величине за/пыленности (см.рис.9). Большое число отсосов обеспечивает надежную эксплуатацию печей, выплавляющих "трудные" для плавки в закрытом режиме сплавы, например, ФС-65 и УС-75 /85/
Влияние размеров ванны на зависимость 2.— ,// / на пример выплавки ФС-45 в печах типа РКЗ и Шн-17 в печах типа РПЗ показано соответственно на тех же рис. S и 10.
Переход на меньший внутренний диаметр ванны (Дв ) позволил иметь более глубокую посадку электродов, а значит и большее сопротивление ванны (на 6-7$ по данньпл ВШ ШЭТО), что в конечном счете и подняло несколько электрический кпд печи. Длительная эксплуатация печи типа РКЗ с уменьшенным Д показала, что снизился удельный расход электроэнергии на 3-4$ и возросла производительность печи, наладился устойчивый "ход" плавки, а выпуск сплава стал более легким.
Уменьшение внутреннего диаметра ванны позволило увеличить IL.,- tl_ на 14-15$ при поддержании запыленности газов на уровне, не превышающем 20 г/нм, и отсос газов на 10$ при одинаковой герметизации свода печи. Это объясняется лучшим распределением мощности в печи, поскольку добавилась та часть полезной їлощности которая ранее расходовалась на бесполезный нагрев периферийной шихты, почти не участвующей в реакциях восстановления.
Осалщение частиц пыли из газов в процессе их движения в ванне печи
Полученные параметры пылегазового потока (см.раздел 3.1) в основном хорошо согласуются с литературными данными, кроме запыленности и дисперсности пыли, у которых отмечено резкое отличие от последних. Поэтому была сделана попытка проанализировать различие экспериментальных данных по пылевому потоку, образующемуся в ванне РБП и получаемому на выходе из нее, т.е. оценить механизм движения пылевых частиц через слои шихты.
Процесс изменения дисперсного состава пыли и ее частичное улавливание, происходящее при движении газового потока через ванну ферросплавной печи, рассмотрим на примере закрытых РБП, выплавляющих СЫн-17 /б?/.
Оценку характера протекающих процессов начнем от зоны электрической дуги, считая, что температура в ванне силикомарганцевой печи составляет 1500С. С учетом принятого допущения оценим размер зародышей, образующихся при конденсации паров различных элементов шихты и представляющих собой первичные частички ПІШІ.
Согласно /88,89/, при температурах порядка 2000К радиус зародышей основных элементов, испаряющихся в ванне печи, состав-ляет: у кремния и железа - 3.10 -г 10 см; у марганца и магния -5.10 см; у алюминия - 10 см и у углерода - 10 -г 10 см. Известно также /ОО/, что при Т.П=Ю00С радиус образующихся частиц кремнезема составляет 2.10 см., а при других (меньших) температурах - около І0 сіл. Поскольку в пыли отходящих газов -табл.17 - содержатся в основной окислы кремния и марганца, для оценочного расчета можно принять, что в реакционной зоне печи образуются первичные пылевые частички размером 0 =1.10"
Очевидно, что с момента образования частицы пыли находятся под воздействием целого ряда механических сил, способствующих их укрупнению и частичному осаждению. Это подтверждает как дисперсный состав пыли на выходе из печи (см.табл.15), так и величина запыленности газов на входе в газоочистку, которая значительно меньше начальной (по данньм японских исследователей /23/ запыленность в зоне дуги составляет величину 100-400 г/нм3).
Анализ теоретических положений механики аэрозолей показывает, что в ванне на частицы пыли могут оказывать влияние следующие троцессы: коагуляция, фильтрация слоем шихты, диффузиофорез при конденсации паров металлов, термофорез и турбулентность газового потока.
Поскольку оценить совокупное влияние всех этих механизмов гкрупнения и осаждения частиц не представляется возможным, рас-імотрим возможную роль каждого из них в отдельности, сделав ряд допущений:
а) разобьем ванну печи по высоте на 3 зоны: первая - от зо :ы электрических дуг, где температура порядка 2000С, до зоны :онденсации основных окислов шихты (температура порядка 1400С); торая - от зоны конденсации : . окислов до колошника печи (тем ература порядка 250С); третья - от колошника до "устья" газо аборного патрубка или стакана, т.е. зона подсводового пространс тва (температура таже, 250С);
б) расстояние от места горения дуги до колошника принято авным половине высоты ванны печи, а температура газов на этом ррезке падает линейно и прягло пропорционально проходимому пути;
в) активная зона выхода реакционных газов составляет 90% ющади схода шихты, состоящей из капилляров, расположенных фтикально по отношению к колошнику печи и образованных кусками ютоянного по высоте грансостава.
г) в реакционно!! зоне образуются шарообразные первичные частички при начальной запыленности 100 г/нм3, причем эта величина остается постоянной без изменений до третьей зоны, высота которой принята равной 0,3 м.
Исследования работы наклонного орошаемого газохода
Обычно охлажденные до 60-60С и практически полностью насыщенные водяными парами газы поступают в полый противоточный скруббер, представляющий собой цилиндрический аппарат диаметром 1,0-1,5 м с форсуночным орошением. Скруббер служит для охлаждения насыщенных газов до температуры, величина которой на практике определяется температурой орошающей оборотной воды.
Согласно /41/, степень очистки газов в противоточном полом скруббере находится из выражения:
Анализ уравнения (4.4) показывает, что эффективность растет с увеличением плотности орошения, высоты аппарата, величины коэффициента захвата и с уменьшением диаметра капель. Однако последний параметр можно уменьшить до определенного предела, за которым начинается интенсивный унос капель из аппарата с понижением эффективности пылеулавливания (см.ниже). Согласно расчетов/41/, максимальная эффективность при инерционном осаждении частиц пыли на каплях наблюдается при 0 =0,8 мм. Высота аппарата обычно ограничена, скорость газа - тоже, поэтому степень очистки скруббера увеличивается в основном за счет роста плотности орошения и вели ти коэффициента захвата, определяемым размером частиц.
Следовательно, степень очистки в полом скруббере можно айти из упрощенного выражения (с учетом вышеизложенного): /? =4-ехр(-/?т/2с/н ); (4.5) це А = l)bVckVft "COrtS t; — для скрубберного процесса.
Из анализа формулы (4.5) следует, что для конкретного скруб-ерного процесса эффективность очистки будет целиком определяться еличиной коэффициента захвата /3, зависящего от механизма осаж-ения. Поскольку в нашем случае скруббер работает в конденсаци-нном режиме, коэффициент /3 должен учитывать как инерционный, ак и диффузионный механизмы осаждения частиц на капле жидкости. [сходя из вышеизложенного, рассмотрим эффективность обоих меха-измов осаждения и оценим их влияние на степень очистки полого ікруббера по формуле (4.5). А. Инерционный механизм осаждения пыли.
Инерционное осаждение пылевых частиц на каплях воды опреде-[яется критерием Стокса. Хотя уравнение движения частиц в газо-юм потоке известно, проинтегрировать это уравнение в общем виде юка не удалось. Поэтому воспользуемся эмпирической формулой для зпределения коэффициента инерционного осаждения, полученной при ютенциальном обтекании частиц пыли шаровидной каплей Доз/:
Анализ уравнения (4.6) показывает, что осаждение на капке увеличивается с ростом критерия Стокса, который в свою очередь зависит от параметров газопылевого потока. Учитывая, что в реальных условиях скрубберного процесса скорость газа, его вязкость, плотность частиц и диаметр капель являются постоянными величинами, то критерий Стокса определяется лишь диаметром oL поскольку частицы пьиш имеют широкую гамму размеров. При прочих разных условиях критерий Стокса зависит от температуры газа, так как с ее понижением уменьшается вязкость газов.
Оценим влияние O&tc на эффективность полого скруббера, работающего в условиях, близких к условиям очистки газов ферросплавного производства. Эти данные, полученные расчетным путем на основании зависимости (4.5.), приведены в табл.20.
Похожие диссертации на Разработка и внедрение эффективной системы очистки газов закрытых ферросплавных печей
