Материал: Расчет агрегатов газоочистки доменной печи

3.2 Очистка колошникового газа

Колошниковый газ проходит последовательно три ступени очистки – грубую, полутонкую и тонкую. В агрегатах каждой ступени удаётся уловить пыль определённых размеров и свойств.

С развитием доменного производства изменяются и совершенствуются агрегаты всех ступеней очистки. Современные схемы газоочисток, распространённые в России, представлены на рис. 2.

Для грубой очистки газа используются сухие пылеуловители инерционного типа, отличающиеся способом подвода газа (рис.3). Процесс улавливания пыли в них основан на использовании силы тяжести, инерционных и центробежных сил. Раньше предусматривали не меньше двух последовательно установленных сухих пылеуловителей – первичный и вторичный. При этом в качестве первичного пылеуловителя использовали циклон. С переходом на работу с повышенным давлением колошникового газа и с улучшением подготовки железорудного сырья вынос пыли существенно сократился. Поэтому ещё в СССР при строительстве новых доменных печей, отказались от тандемов из первичного и вторичного пылеуловителей. В настоящее время интерес к ним повысился, так как степень очистки газа в них достигает 95% [7].

Полутонкая очистка осуществляется в скрубберах и трубах – распылителях. В них осаждаются самые мелкие частицы пыли.

Тонкой очистке газ подвергается в электрических и металлотканевых фильтрах; на старых печах ещё используются дезинтеграторы. С переводом доменных печей на работу с повышенным давлением газа под колошником в схеме газоочисток, как известно, появился новый агрегат – дроссельная группа. Выполняя свои основные функции по повышению и поддержанию постоянного давления колошникового газа, она оказалась очень эффективным агрегатом для тонкой очистки его.

При давлении газа под колошником более 1,0 ати основными агрегатами для полутонкой и тонкой очистки газа и охлаждения его стали скрубберы высокого давления, трубы-распылители и дроссельные группы. При отлаженной технологии такие довольно компактные схемы мокрой газоочистки обеспечивали требуемое обеспыливание. Реже стали применять электрофильтры.

Рисунок 2 - Современные распространённые схемы газоочисток:

1-доменная печь; 2-пылеуловитель; 3-скруббер; 4-труба-распылитель; 5-электрофильтр; 6-отсекающее устройство; 7-дроссельная группа; 8-газорасширительная турбина; 9-генератор;

10-коллектор чистого газа; 11-водоотделитель

Рисунок 3 - Схемы сухих пылеуловителей инерционного типа

а – с радиальным вводом; б – с тангенциальным вводом; с – с центральным (осевым) вводом

Рисунок 4 - Схема цепи аппаратов газоочистки (обозначения в тексте)

Строительство доменных печей, работающих с давлением газа под колошником более 2,0 ати, выдвинуло проблему утилизации этого давления с использованием газотурбинных расширительных станций. Применение последних повышает требования к очистке доменного газа и заставляет снова включать электрофильтры в схему газоочисток.

Для более широкого использования газотурбинных расширительных станций целесообразна сухая очистка газа. Разработка её надёжной схемы – одна из важных задач [8]. Перспективным считается использование для сухой тонкой очистки газа металлотканевых, тканевых фильтров [9], вихревых пылеуловителей [10].

Работа агрегатов для очистки газа характеризуется коэффициентом осаждения пыли (), равным отношению количества уловленной пыли к количеству её в газе до очистки. Величина её в сухих пылеуловителях зависит от конструкции их, крупности выносимой пыли и составляет 0,5 – 0,8. Меньшие значения  (0,5-0,6) характерны для пылеуловителей с центральным (осевым) вводом, большие (0,7-0,8) для пылеуловителей с тангенциальным подводом газа. Однако первые получили широкое распространение как более удобные в конструктивном отношении.

В агрегатах мокрой очистки коэффициент осаждения пыли достигает: 0,8-0,9 – в скрубберах, 0,88 – 0,9 - в трубах-распылителях, 0,95 – в дроссельных группах.

Наиболее распространённая схема комплекса газоочистных сооружений представлена на рис. 4.

Газ из доменной печи по вертикальным и нисходящим газоотводам направляется в сухой пылеуловитель 2 для грубой очистки. Скорость ввода его через центральную трубу достигает 10-15 м/с . В результате изменения направления движения и резкого снижения скорости газа до 0,8-1,2 м/с крупная и тяжёлая пыль, находящаяся в газе во взвешенном состоянии, под действием сил тяжести и инерции осаждается в нижней конической части пылеуловителя. Сухие пылеуловители имеют диаметр до 12-17 м, высоту цилиндрической части до 20 м. Время пребывания газа в них составляет 10-18 с. Обычно диаметр пылеуловителя определяют по скорости газового потока, а высоту цилиндрической части – по времени пребывания газа в нём.

Из сухого пылеуловителя газ по газопроводу грязного газа 3 подаётся в скруббер 4. Во избежание осаждения пыли скорость газа в газопроводе должна быть не менее 15 м/с.

Внутренняя поверхность газоотводов, пылеуловителя и газовых трактов до скруббера футеруется шамотными изделиями толщиной слоя футеровки 115-230 мм.

Скруббер представляет собой цилиндр диаметром до 8,5 м, высотой до 35 м. В нём осуществляется улавливание относительно крупной и легкосмачиваемой пыли, охлаждение газа до температуры, необходимой при последующей его очистке.

В основу скрубберного процесса положен принцип противотока – снизу вверх движется газ, сверху вниз – вода, распыливаемая специальными форсунками, расположенными в несколько рядов. Равномерность распределения газа и воды по сечению скруббера ранее достигалась устройством насадок из деревянных брусьев. В настоящее время всё более широкое применение находят безнасадочные скрубберы.

Время пребывания газа в скруббере составляет 10-20 с, скорость движения его – 1,2-3 м/с. Температура газа по высоте скруббера снижается по S-образной кривой [11] и на выходе не превышает 40-65 ⁰С.

Требуемый уровень шламовой воды в нижней конической части скруббера поддерживается мотыльковым клапаном, работающим совместно с поплавковым регулирующим устройством.

Дальнейшая очистка газа осуществляется в трубах–распылителях 5 и дроссельной группе 6. Высокие до 150 м/с в трубе-распылителе и до 300 м/с [5] в дроссельной группе скорости газа, создаваемые в этих агрегатах, способствуют, при соударениях частиц друг с другом, каплями воды и стенками, разрушению газовых оболочек на частицах пыли, смачиванию и коагуляции этих частиц.

Чистый газ после водоотделителя 8, где улавливаются капли воды, поступает в коллектор чистого газа 9.

Суммарный расход воды во всех аппаратах мокрой очистки составляет 2,0-4,5 м³ на 1000 м³ газа.

4 Пример выбора схемы и расчёта основных устройств для отвода и очистки доменного газа

4.1 Исходные данные

Вариант 2

Давление газа на колошнике, ати 2,2

Температура колошникового газа, ⁰С 130

Температура горячего дутья, ⁰С 1200

Содержание О₂ в дутье, % 29

Выход газа, нм³/т чугуна 2050

Полезный объём печи, м³ 2700

КИПО 0,40

Производительность печи, т/сут. 6750

Расход на тонну чугуна, кг/т: кокса 443

агломерата 1724

Содержание железа в агломерате, % 56

Содержание железа в окатышах 63

В соответствии с данными А.Н. Рамма о примерном выносе из печи компонентов шихты (см стр. 4,5) будет вынесено:

частиц кокса -

агломерата -

Вынос пыли (уловленной в сухом пылеуловителе) составит

17,24+1,10=18,34 кг. Если принять коэффициент осаждения пыли в сухом пылеуловителе  = 0,6, то общий вынос её на тонну чугуна и запылённость газа составит:

Средний выход колошникового газа за секунду V₀ определяем по относительному выходу его на тонну чугуна, взятому из расчёта материального баланса плавки и суточной производительности печи

(4.1)

где Vг – относительный выход газа, нм³/т;

П – производительность печи, т/сут.;

1440*60 – количество секунд в сутках

Расчёт ведём, взяв за основу увеличенный на 20% выход газа с возможной интенсификацией процесса в будущем,

Если материальный баланс доменной плавки не составлялся, то количество газов, выходящих из доменной печи за секунду, нужно рассчитать приближённо по балансу азота в дутье и колошниковом газе для печи, работающей в условиях, близких к проектным, используя формулу

Vо = Jvд*Vп* (4.2)

Vо = 1375*2700*

где Jvд - индекс интенсивности плавки, выраженный количеством дутья, подаваемым в печь на 1м³ полезного объёма, нм³/м³ *мин;

Vп – полезный объём печи, м³

N₂ – содержание азота в дутье (100-O₂), %;

СО₂, СО, Н₂ – содержание соответствующего компонента в колошниковом газе, %

При интенсивной работе печи на подготовленной шихте, обычном атмосферном дутье, Jvд достигает 1,8-2,0 нм³/(м³ *мин). В случае обогащения дутья кислородом значение Jvд корректируется с использованием формулы

Jvд = нм³/(м³ *мин), (4.3)

где 21 и 29 - содержание кислорода в атмосферном и обогащённом дутье, %.

4.2 Выбор схемы газоочистки

Принимаем следующую схему очистки газа (см. рис. 4): пылеуловитель с центральным вводом – скруббер – трубы-распылители – дроссельная группа –водоотделитель – коллектор чистого газа. При коэффициентах осаждения пыли: в пылеуловителе (_п ) – 0,6, скруббере (_с) – 0,88, трубах-распылителях (_т) – 0,9 и дроссельной группе (_д) – 0,95 запылённость газа после очистки составит

14,82*(1-0,6) * (1-0,88) *(1-0,9) * (1-0,95) = 14,82* 0,4 * 0,12 * 0,1 * 0,05 =0,00356 г/нм³

или 3,56 мг/нм³, что ниже допустимого.

4.3. Определение размеров газоотводов

Принимаем второй вариант сети газоотводов.

Суммарное сечение четырёх вертикальных участков газоотводов (Sв) в пределах копра выбираем, используя соотношение

Sв = (0,25~0,3)*Sк=0,3*50,2=15,07 м² (4.4)

где Sк – площадь сечения колошника, м².

Принимая Sв = 0,3 Sк, получим при диаметре колошника

d_к= 8 м

Тогда сечение и диаметр в свету одного вертикального газоотвода составит

Принимаем, что газоотводы будут изготавливаться из листовой низколегированной стали марки 15Г2СФ, толщиной 8 мм. Тогда, при толщине футеровки 115 мм и зазоре между кладкой и стенкой 2 мм, наружный диаметр вертикального газоотвода будет равен

d_н =2,18+2(0,008+0,002+0,115) = 2,43 м.

Такой же диаметр имеют наклонные участки газоотводов, отходящих от купола доменной печи. Если длина образующей купола не обеспечивает вписывание газоотвода, необходимо увеличить либо высоту купола, либо число наклонных участков до 6-8 с соответствующим уменьшением сечения в свету наклонного участка газоотводов.

Следует заметить, что в месте примыкания к куполу сечения газоотводов делают овальными, с большой осью в горизонтальной плоскости. Суммарное сечение доводят до (0,4-0,5) Sк . Но, учитывая, что малая ось овала равна диаметру наклонного участка газоотводов, отмеченное выше остаётся справедливым.

Длина образующей купола доменной печи 2000 м³ составляет 2.75 м, следовательно обеспечивается вписывание 4 наклонных газоотводов наружным диаметром 2.27 м каждый.

Суммарное сечение двух нисходящих газоотводов также выбираем в зависимости от площади поперечного сечения колошника

S_нис =(0,2~0,25)*Sк=0,2*50,2=10,04

Принимая S_нис = 0,2Sк, получили при d_к = 8 м

S_нис = 0,2*3,14*8²/4 =10,04м².

Тогда сечение и диаметр в свету одного нисходящего газоотвода составит

S_нис =10,04/2 = 5,02 м².

Наружный диаметр нисходящего газоотвода при прежней толщине листа и кладки будет равен

D_нис = 2,52+2*(0,008+0,002+0,115) = 2,77м.