Оборудование для очистки газов конвертерных печей

Санкт-Петербургский  Государственный Политехнический  Университет

Факультет технологий и исследования материалов

 

 

 

Пояснительная записка  к курсовому проекту 

По дисциплине

ОБОРУДОВАНИЕ  ДЛЯ ОЧИТСКИ ГАЗОВ ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

 

 

 

 

Работу выполнила Бакуменко  А.О.

Группа 5065/3

Проверила проф. Буторина И.В.

 

 

Санкт-Петербург

2012

Введение

 

Актуальность работы.

С освоением промышленных способов получения больших количеств  дешевого кислорода (чистотой 99,5%) получили развитие методы производства стали  с продувкой кислородом чугуна в  конвертерах. Наиболее сложной проблемой  является отвод, охлаждение и очистка  газов, выделяющихся из конвертера в  периоды кислородных продувок. Вместе с технологическим процессом  совершенствуются конвертерного производства и системы газоочистки конвертеров. Созданы и надежно работают разнообразные  системы газоотводящих трактов, однако процессы отвода, охлаждения и  очистки газов продолжают оставаться сложными и требуют значительных затрат труда и энергии.

Проблема защиты окружающей среды от загрязнений приобретает  все большую актуальность в связи  с активной деятельностью человека в области создания процессов  и устройств, которые являются искусственными источниками загрязнений.

Наиболее актуальной задачей  снижения вредных твердых выбросов в атмосферный воздух является создание новых и усовершенствование существующих систем очистки выбрасываемых отходящих  газов различных технических  устройств и, в частности, конвертеров.

Кислородно-конвертерный способ производства стали обладает многими  преимуществами. Недостатком процесса является интенсивное образование  запыленного газа. Очистка и предшествующее ей охлаждение газов, выходящих из конвертеров, продолжает оставаться основной из наиболее сложных проблем. Количество пыли, выносимой  из конвертера, достигает 1,5% от металлошихты. Запыленность конвертерных газов достигает 200 г/м3. Поэтому очистка газов  является обязательной. Допустимое содержание пыли в газах, выбрасываемых в  атмосферу, составляет 100 мг/м3.

Охлаждение и очистка  газов являются составными частями  кислородно-конвертерного способа  производства стали с продувкой  чугуна технически чистым кислородом. Затраты на сооружение установок  по охлаждению и очистке газов  до санитарных норм, а также на их содержание весьма значительны.

 

Цель работы: По заданным характеристикам пылегазового потока, отходящего от  его источника, выбрать и рассчитать газовый тракт, обеспечивающий отвод дымовых газов и их очистку до заданных технических и санитарных нормативов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Исходные данные к проекту

• источник выброса – конвертерная печь;
• производительность технологического агрегата – 300 т/час;
• фоновые концентрации загрязняющих веществ в приземном слое атмосферы:

.  

 ПДК для основных загрязняющих веществ

№ п/п	Загрязняющее  вещество	Код  загрязняющего  вещества	ПДК, максимальн  разовое мг/м3	Фоновое загрязнение  в ед ПДК	Мощность  выброса , г/с
1	Азота оксид	0301	0,2	0,9	56,4
2	Серы оксид	0330	0,5	0,9	7,57
3	Углерода оксид	0337	5	0,9	68,8
4	Пыль	2908	0,5	0,9	0,3

 

 

 

 

 

 

 

 

Шихтовый состав

 

Шихта
	доля	Fe	Fe2О3	FeO	CaO	Mn	P	Si	C	MgO	MnO	SiO2	Al2O3	ППП	P2O5	S	Ca	Mg	Al
Жид. чугун	0,71	67,675				0,029	0,050	0,572	3,146							0,028
Метал. лом	0,2	19,944							0,028		0,000	0,010			0,008	0,010
Желез. руда	0,03	1,620	2,262	0,047	0,019					0,004	0,005	0,591	0,028	0,043	0,001	0,001
известняк	0,05		0,015		2,720					0,040	0,000	0,091		2,135
футеровка	0,005		0,01					0,01									0,29	0,1825	0,0075
ИТОГО	1	89,2	2,28	0,04	2,73	0,02	0,05	0,58	3,17	0,04	0,005	0,69	0,028	2,17	0,009	0,039	0,29	0,18	0,008

 

  

  Современный кислородно-конвертерный способ производства стали состоит в том, что в стальной сосуд - конвертер загружается стальной лом (скрап) и заливается расплавленный чугун (рис. 1, 2). Изнутри поверхность конвертера обложена огнеупором толщиной до 1 м. Из рисунков видно, что массивный конвертер может поворачиваться па специальных опорных подшипниках. Когда происходит загрузка скрапа (см. рис. 2, а) и заливка жидкого чугуна (см. рис. 2, б), а также выпуск готовой стали и затем жидкого шлака, конвертер находится в наклонном (при выпуске стали, близком к горизонтальному) положении.

 

 
Рис. 1. Кислородный конвертер. 1 - корпус; 2 - днище; 3 - опорные подшипники; 4 - шлем

 
Рис. 2. Схема кислородно-конвертерного процесса: а - загрузка металлолома; б - заливка чугуна; в - продувка

Кислород подается снизу. Правда, за последнее время начала практиковаться подводка кислорода сверху (см. рис. 2, в), в чем имеются свои преимущества. Какого-либо топлива для конвертера не требуется: необходимое количество тепла выделяется в результате соединения кислорода с находящимися в чугуне примесями -кремнием, углеродом и др. Поэтому металл в конвертере всегда находится в жидком состоянии. Количество углерода в готовой стали регулируется длительностью процесса: чем дольше длится процесс, тем больше углерода выгорает и меньше его остается в стали. Обычно продувка конвертера кислородом длится 15-25 мин. Тепло газов, образующихся во время продувки конвертера кислородом, используется - за конвертером, как правило, устанавливается котел-утилизатор, задачей которого является использование тепла отходящих газов и который собственной топки не имеет.

Кислородный конвертер способен переплавлять в сталь чугуны с  добавкой большого количества скрапа (25% и более) и руды (до 5%). Кислородно-конвертерный процесс является очень экономичным. По сравнению с мартеновским процессом  экономия на капитальных вложениях  составляет 20 - 25%, увеличение производительности труда - 25 - 30, снижение себестоимости  стали - 2-4%.

              

Основные операции и их длительность при кислородно-конвертерном процессе (для большегрузных конвертеров).

Наименование операции	Длительность, мин	Примечание
Загрузка металлолома  и заливка жидкого чугуна	5…10	Количество металлолома  в шихте 15…25 %, чугуна 75…85 % при температуре 1300…1350 °С
Продувка жидкой ванны  кислородом	14…23	Протекание реакций окисления  кремния, углерода, железа, марганца и  фосфора; добавка флюсов для формирования шлака
Отбор проб для определения  химического состава стали с  его корректировкой при необходимости	4…15	Температура стали  около 1650 °С
Слив стали из конвертера в разливочный ковш	4…8	Операция слива стали  предполагает отсечку шлака
Слив шлака из конвертера в шлаковоз	3…9	Большая часть шлака сливается  в шлаковоз, а часть остается в  конвертере и используется для покрытия футеровки стен
Подготовка конвертера к  следующей плавке	3…5	Торкретирование наиболее поврежденных участков футеровки и раздувание шлака

 

Основные загрязняющие атмосферу  выбросы в конвертерном цехе —  выбросы через аэрационный фонарь загрузочного и конвертерного пролетов, выделяющиеся из горловины конвертера, при сливе стали и шлака  в ковши, при ремонтах конвертера, от печей для прокаливания ферросплавов (пыль, окислы углерода и азота, сернистый  газ, фториды); отходящие конвертерные газы (окислы азота, образующиеся при  сжигании выбрасываемой в атмосферу окиси углерода на свече или при дожигании окиси углерода в котле-утилизаторе); выбросы из ковшового пролета — окислы азота и углерода от стендов для нагрева ковшей и пыль при отсутствии ее улавливания над местами ломки футеровки.

 

Очистка конвертерных газов  В газах, отходящих из кислородных  конвертеров содержится до 250 г/м3 пыли (в основном. окислов железа) в  связи с чем все конвертеры оборудуют системами газоочистки  для снижения содержания пыли до допустимых санитарных норм (менее 0,1 г/м3). Эти системы  на отечественных заводах с целью  экономии энергоресурсов оборудуют  котлами-утилизаторами (охладителями конвертерных газов — ОКГ). Обычно система отвода и очистки газов  включает котел-утилизатор, газоочистные устройства, дымосос и трубу для  выброса газа в атмосферу или  газгольдер для сбора газа. Из двух известных способов отвода конвертерных газов — с дожиганием и без  дожигания СО в котле-утилизаторе  — целесообразным признан второй способ. При этом благодаря предотвращению подсоса воздуха в зазор между  горловиной конвертера и котлом-утилизатором объем очищаемых газов уменьшается  в 3— 4 раза, что снижает капитальные  затраты на сооружение системы и  эксплуатационные расходы. В качестве газоочистных устройств находят  применение трубы Вентури в сочетании  с каплеуловителями (мокрая газоочистка), электрофильтры и тканевые фильтры (сухая газоочистка), причем система  очистки газов обычно включает два  или более последовательно установленных  газоочистных аппарата. В нашей стране на основании имеющегося опыта признано целесообразным применять сравнительно надежные и простые в эксплуатации трубы Вентури. Применяют системы  газоочистки с трубами Вентури  прямоугольного или круглого сечения. В большинстве ранее строившихся  цехов применена система очистки  газов с прямоугольными регулируемыми  трубами Вентури, показанная на рис. 3, а. Над горловиной конвертера 1 расположена  подвижная «юбка» 2, при опускании  которой обеспечивают герметичность  соединения горловины с ОК.Г. Последний  представляет собой радиационный котел-утилизатор и состоит из стационарного газохода 4 и кессона 3 с юбкой, откатываемого  при ремонтах конвертера. Нижнюю часть  газоотхода выполняют наклонной  с тем, чтобы можно было обеспечить ввод в конвертер фурмы.

Схема отвода и очистки  конвертерных газов В ОКГ газы охлаждаются до 900—1000 °С и затем  движутся через орошаемый газоход 5, где их температура снижается  до 80°С водой, подаваемой через форсунки. Далее они поступают в первую ступень 6 газоочистки (две параллельно  расположенные трубы Вентури) и потом во вторую 7 (одна труба Вентури), затем, пройдя каплеуловитель 8, газы дымососом 9 выбрасываются в атмосферу через свечу (трубу) 10, снабженную дожигающим устройством 11, обеспечивающим сжигание СО. Недостатком системы является высокий расход воды (8—10 л/м3 газов). Размещают эту систему в цехе следующим образом. В конвертерном пролете над конвертерами располагают ОКГ и идущий от него в поперечном направлении орошаемый газоход, а газоочистки — в пристройках к конвертерному пролету. . В цехах последней постройки применяют газоочистки, оборудованные круглыми трубами Вентури с регулируемым кольцевым зазором. От описанной выше система отличается следующим: уменьшены габариты труб Вентури, первая и вторая ступени очистки имеют по одной трубе Вентури, не требуется орошаемый газоход большой длины. Благодаря меньшим габаритам газоочистку целиком размешают в конвертерном пролете (над конвертерами между ними): при этом не требуется дополнительных помещений. Дымососы следует размещать в отдельном помещении за пределами главного здания для того, чтобы уменьшить в нем уровень шума и вибраций.

 

 

Рис. 3.Схема отвода и очистки  конвертерных газов 

 

С целью сокращения энерго-и  водопотребления  в конвертерном производстве на ряде западных сталелитейных  предприятий перешли на сухой  способ очистки газа. На рисунке 4. изображена схема очистки конвертерного газа, реализованная на металлургическом предприятии ThyssenKrupp Stahl AG.Данный газовый тракт обслуживает конвертеры, работающие без дожигания СО.  Охлаждение газов осуществляется в котлах –утилизаторах и двух форсуночных скрубберах, работающих в режиме испарительного охлаждения.    Основным аппаратом для очистки газа является электрофильтр. Скруббер, установленный перед электрофильтром, снижает температуру до допустимых для электрофильтра значений и осуществляет  предварительную очистку газа от пыли. После электрофильтра установлена свеча,  на которой дожигается конвертерный газ в аварийных ситуациях и отводятся дымовые газы в период частичного дожигания СО в начале и в конце продувки. Конвертерные газы периода продувки с большим содержанием СО  подаются на доочистку и доохлаждение во второй испарительный скруббер, а затем закачиваются в газгольдер.

Частичное дожигание первых и последних порций конвертерного  газа, содержащего малое количество СО, осуществляется для промывки газового тракта инертным  дымовым газом, с целью обеспечения  взрывобезопасности газового тракта. Эта операция увеличивает  объем конвертерных газов не более  чем  на  20 %.  Испарительный  режим работы скрубберов дает возможность  сократить расход воды на орошение более чем в два раза.

Рис. 4.  Схема газового тракта за конвертерами на ThyssenKrupp Stahl AG

Другой положительной  стороной сухого способа очистки  конвертерных газов является рациональное использование  их теплового потенциала. При работе с полным дожиганием конвертерных газов весь тепловой потенциал газов  используется для выработки пара в котлах-утилизаторах , который  подается в заводской паропровод и в теплое время года не используется. При сжигании конвертерного газа на свече теряется весь химических тепловой потенциал. Сухая схема  очистки конвертерного газа со сбором его в газгольдер  позволяет использовать как физическое так и химическое  тепло и уменьшить дефицит газообразного топлива на металлургическом предприятии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При составлении материального  баланса учитывались основные компоненты процесса,  вносимые в сталеплавильный  агрегат с шихтой, топливными или окислительными газами.

Формула химической реакции	Компоненты сталеплавильного процесса
	Fе	С		Mn		Р		S		Si		Fe2O3		FeО		CаО		СаS		MnO		P2O5		SiO2		Cr2O3		Аl2O3
Состав шихты, %	89,2	3,1		0,029		0,05		0,04		0,582		2,28		0,047		2,739												0,028
Fe2O3=2Fe+1,5O2	1,6											2,28
FeO=Fe+0,5O2	0,03													-0,047
Fe+0,5O2 =FeО	-0,35													0,0046
Fe в шлак с корольками	-1,33
Fe в дымовой газ с пылью	-1,07
С+0,5О2=СО		-2,9
Mn+FeO=Fe+MnO				-0,010																0,51
Si+O2 = SiO2										-0,370														0,77
2P+2,5O2 = P2O5						-0,02																0,062
S+O2= SO2								-0,007
CaO+SO2=CaS+1,5O2								0,008								-0,010		0,010
Итого	88,1	0,2		0,018		0,02		0,039		0,212		4,57		0,0046		2,72		0,010		0,51		0,062		0,77				0,028
Масса  стали и шлака	МC=88,6														Мш=8,6
Ссостав стали и шлака, %	99,4		0,23		0,02		0,025		0,04		0,24		5,16		2,46		0,45		9,05				6,002				0,32
Жидкие продукты плавки	Сталь														Шлак

 

 

Таблица 1. Расчет выхода стали  и шлака

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2. Расчет объема и состава сталеплавильных газов и теплового эффекта плавки

Реакция	Компоненты сталеплавильного процесса									Qx МДж
	О2	СО	СО2	Н2О	H2	SO2	NOx	N2	Пыль
Fe2O3=2Fe+1,5O2	1,37									-7,079
FeO=Fe+0,5O2	0,00102									-0,0038
Fe+0,5O2 =FeО (шлак)	-0,1019									0,015
Fe+0,66O2=0,33Fe3O4	-0,0044								1,19	0,078
C+0,5О2=CО	-3,954	14,5								31,8
СO+0,5О2=СО2			3,92
Mn+0,5О2=MnO	-0,0029									0,00024
Si+O2 = SiO2	-0,4218									11,6
2P+2,5O2=P2O5	-0,0351									0,68
CaCO3=CaO+CO2										0
4CaO+P2O5=(CaO)3P2O5( CaO)										0,25
CaO+SiO2=(CaO)2SiO2										0,962
S+O2= SO2						0,015				0,061
CaO+SO2=CaS+1,5O2	-0,012									0,075
N2+O2=2NO							10,88	0,039
Суммарный тепловой эффект	-3,16	14,5	3,92	0	0	0,015	10,88	0,039	1,19	38,4
Кислородное дутье	-3,93							-0,039
Подсосы воздуха	3,94							14,8

 

При расчете материального  баланса сталеплавильного процесса с помощью данной  таблицы необходимо производить корректировку доли лома в плавке по результатам расчета  теплового баланса печи.

Схема расчета в системе  Excel представлена в данном разделе в виде таблиц 1.  2. Учитывая большой размер  расчетной таблицы она разбита на две части. В первой части ( таблица 1. ) рассчитываются  жидкие продукты реакции ( сталь и шлак ), а во второй газообразные продукты реакции. В системе Ехсеl все расчеты производились в единой таблице.

С помощью таблиц 1 и 2  могут быть составлены  уравнения  для определения коэффициента выхода годной стали,  удельного объема отходов и удельного теплового  эффекта.

Коэффициент выхода жидкой стали   из 100 кг шихты определяется по соотношению

где М_с– масса образующейся стали.

 

Энергоемкость сталеплавильного процесса складывается из затрат энергии  на плавку и расхода энергии на обслуживание вспомогательного оборудования.

Расчет  удельного  энегопотребления на проведение плавки осуществлялся на основании теплового баланса сталеплавильной печи. В таблице 3 представлен тепловой баланс для расчета энергозатрат в конвертерной печи. Баланс составлен в расчете на 100 кг шихты.  Для этой цели в балансовых уравнениях используются величины удельных

( отнесенных к 100 кг  шихты ) теплового эффекта плавки  и потерь тепла в печном  агрегате.

Решение материального баланса  плавки совместно с таким  тепловым  балансом   позволяет  корректировать состав шихты сталеплавильного процесса, расхода окислителей и энергоносителей  для обеспечения выпуска стали  из печи при заданном составе и  температуре

Таблица 3. Тепловой баланс  сталеплавильного процесса

№п/п	Наименование статьи	Расчетная формула
Приход тепла
1	Тепло экзотермических   реакций	Q хим= Qх  =38,4
2	Тепло, вносимое жидким чугуном	Qч= 100qчiч* =9,88
	Итого	Qпр=48,35
Расход тепла
1	Тепло, уносимое  сталью	=23,7
2	Тепло, уносимое шлаком	=1,3
3	Тепло,  уносимое  пылью	=8,73
4	Тепло, уносимое  дымовыми газами	=5,67
5	Потери тепла	=5,67
	Итого	Qрас=39,45

           *Здесь и далее в таблице,  через i обозначены энтальпии соответствующего вещества при заданной температуре, а буквой q–доля  соответствующих компонентов шихты.

 

Приравнивая между собой  приходные и расходные статьи баланса, можно решать полученное уравнение  относительно любой искомой величины. В конвертерном процессе таким образом  определяется расход лома на плавку. При решении теплового баланса табличным методом совместно с материальным балансом  сталеплавильного процесса  эти величины определяются по величине невязки баланса. Допустимая величина невязки составляет 0,3%.

Невязка теплового баланса = 0,18%.

 

В статье «потери тепла»  учтены потери тепла теплопроводностью  через кладку печи, тепло, аккумулированное кладкой печи, потери тепла излучением через окна печи и потери тепла  с охлаждающей водой.

 

 

 

Выбор схемы газового тракта

Основными характеристиками пылегазового потока являются: расход, температура, и содержание в нем  пыли и токсичных газов.

Учитывая, что основным нормируемыми параметрами являются удельные выбросы  токсичных веществ в килограммах  на тонну продукции, а также мощность выброса (предельно-допустимый выброс) выбор схемы газового тракта необходимо начать с оценки необходимости установки  газоочистного оборудования. Для  этой цели определили величину удельных выбросов токсичных газов на тонну  производимой продукции без использования  очистных установок , результаты расчетов занесли в табл.4.

 

Таблица 4. Удельные выбросы  токсичных веществ.

Удельный выброс токсичного вещества
удел.выброс CO	164,1
удел.выброс SO2	1,807
удел.выброс NO	13,46
удел. выход  дым.газов	331,9

 

Далее сравнили полученный результат с данными таблицы 5, где приведены значения удельных выбросов токсичных веществ от различных источников на современных металлургических предприятиях, которые можно принять за величину технических нормативов.

 

 

Таблица 5. Технические характеристики пылеочистных аппаратов

Характеристики	Наименование  аппарата
	Инерци- оная камера	Циклоны	Тканевые фильтры	Электро- фильтры	Форсуночные скрубберы	Скрубберы Вентури
Запыленность газового потока, г/м3	–	400	20	50 – 90	-	100
Улавливаемые частицы ,мкм	50	20	Субмикрон- ные	1–2	10 –15	1-2
Температура, 0С	450	450	100 –180	330 - 425	900	900
Разрежение  в газоходе, кПа	–	2,5		4 – 15
Гидравлическое сопротивление,кПа	0,2–0,3	1,2 –2,5	1 –1,8	0,15 –0,2	0,25	10 -20
Расход электро- нергии на 1000 м3   газа, кВт/час	–	0,2 –0,25	0,4 –0,5	0,5 –1,0	0,15 –0,2	4  – 6
Расход воды, л/м3	–	–	–	–	3 – 6	0,12 – 4
*Эффективность  в %	<60	95 -98	99,5	99,5	60 -70	96 - 98

 

Так как полученный результат по нескольким компонентам не соответствует аналогичному нормативу, необходимо предусмотреть мероприятия, уменьшающие выброс данного вещества в окружающую среду.       

Если содержание  СО в  дымовых газах превышает 30 % (конвертерные печи) осуществляется его сбор в  газгольдеры или дожигание этого  газа на свече.

Система дожигания
Кол-во воздуха V, м3	69,9
Объем дымовых газов при  НУ, Vну, м3	498
Температура дымовых газов,°С	1645

Так как рассчитанное значение температуры дымовых газов( 1645°С) превышает значение температуры допустимой для выбранного пылеочистного аппарата (990°С), очищаемый газ должен быть охлажден.

Охлаждение дымовых газов
Допустимая температура  очистки,°С	150
Ср. температура,°С	897
Кол-во тепла, отнимаемого  от газа,кДж	968600
Энтальпия пара,кДж/кг	4239
Расход воды	229
Объем. расход очищаемого воздуха  Р.У.	772
Потери железа с пылью  кг/т	12

 

Для снижения выбросов токсичных  веществ до нормативных показателей  применяем очистку дымовых газов  в пылеочитных аппаратах.

В качестве первой ступени  очистки для охлаждения дымовых  газов устанавливаем высоконапорный скуббер с эффективностью очистки 

64%. Объем скруббера V= 102 ,2 м3, диаметр D=1,5 м, высота H=9,3 м. 

 

В качестве второй ступени  используем электрофильтр с высокой эффективностью. Эффективность 99,98%. Таким образом после очистки в тканевом фильтре получаем газовый поток с концентрацией пыли 0,0145 г/м3.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Расчет  линейных размеров дымового тракта и дымовой  трубы

 

Диаметр дымового тракта рассчитывается по величие оптимальной скорости дымового газа.

=1,6 м

Для не запыленного потока оптимальная скорость м/с, для запыленного = 10 м/с.

Дымовая труба должна обеспечивать эффективный рассев токсичных веществ  в атмосферном воздухе. Учитывая, что очистка промышленных дымовых  газов от оксидов азота не осуществляется, минимальную высоту дымовой трубы  определим по этому компоненту по уравнению рассева токсичных  веществ предложенной в методике ОНД -86