4.4. Исследование пылеобразования в процессе РОМЕЛТ

На основе анализа механизмов пылеобразования в традиционных и хорошо изученных металлургических процессах были сформулированы предположения об основных источниках образования пыли в процессе РОМЕЛТ, превращениях пылега- зового потока в печи и далее по газоотводящему тракту.

Формирующийся пылевой поток можно разделить на следующие составляющие по источникам образования (рис. 59): механический вынос отходящими газами мелких частиц железосодержащего материала, угля и флюса, загружаемых через воронку в своде печи; механический вынос выходящими из ванны газами капель жидкого расплава (капли образуются при диспергировании струями дутьевых потоков капель расплава и при схлопывании оболочек газовых пузырей на поверхности ванны); возгоны, образующиеся при восстановлении и последующем испарении летучих элементов. При движении по газоотводящему тракту эти элементы (в основном тяжелые цветные и щелочные металлы) в виде оксидов или других соединений конденсируются в пыль.

Рис. 59. Схема формирования пылегазового потока. 1 - механический вынос частиц, 2 - механический вынос частиц шихты, 3 - возгонка летучих металлов.

Наиболее существенную долю в пылевом потоке составляет унос шихтовых материалов, особенно при переработке пылевидного сырья, загружаемого в печь свободно падающим в расплав потоком через отверстие в своде. Расстояние от свода до поверхности расплава 2,0 - 2,5 м. Воздействие потока отходящих газов на падающий в расплав столб шихтовых материалов можно разделить на несколько составляющих:

непосредственно в месте вхождения в ванну частицы шихты увлекаются выходящими вертикальными потоками газов из ванны.

столб шихты подвержен воздействию потока отходящих газов, вышедших из ванны в пространстве между торцевой стенкой печи и местом падения шихтовых материалов, Этот поток, двигаясь к выходу из печи, обдувает находящийся на его пути столб шихты;

поток воздуха, подсасываемого внутрь печи через зазор в загрузочной воронке.

Необходимо отметить, что в результате интенсивного барботажа шлакового расплава над ванной образуется большое количество брызг и крупных всплесков шлака. Это способствует сепарированию твердых частиц шихты из пылегазового потока в пространстве над расплавом и снижает общий вынос пыли из печи. Таким образом, к основным факторам, влияющим на интенсивность выноса частиц шихты, относятся: влажность и крупность ее компонентов, высота свободного падения столба материалов, удаленность оси загрузочного отверстия от боковой и торцевой стенок печи и от края газоотводящего патрубка, величина разрежения, скорость газового потока, характер образования брызг. Вынос жидких капель шлака из ванны с отходящими газами сравнительно небольшой. Дутьевые потоки верхних фурм (над расплавом) и нижних (в шлаковом расплаве) рассредоточены по периметру печи. Это обеспечивает относительно равно-мерное распределение зон выхода газов из ванны по площади поверхности и соответственно равномерное распределение динамического воздействия потоков верхних фурм на поверхность ванны. Реакционные зоны нижних фурм находятся в слое бар- ботируемого шлакового расплава, который обладает фильтрующим действием по отношению к образующимся в этих зонах и поднимающимся в газовых пузырях диспергированным мелким каплям. Над поверхностью барботируемого расплава имеется

сепарационная зона из крупных брызг и капель шлака. В этой зоне (высотой 0,7 - 1,0 м) выносимые мелкие капли и твердые частицы частично осаждаются на крупных каплях и возвращаются в расплав.

Количество возгонов в пыли напрямую зависит от поступления летучих элементов с шихтой и полноты их восстановления из шлакового расплава, которая определяется температурой ванны, составом шлака и восстановительным потенциалом в печи.

В пылегазовом потоке по мере выхода его из печи и далее в высокотемпературной зоне газоотводящего тракта происходят различные превращения. До входа в КУ отходящие газы состоят в основном из СО, Н2, С02, N2 (кислород отсутствует), после дожигания СО и Н2 в котел появляется свободный кислород (до 3-4%).

Это оказывает существенное влияние на интенсивность окисления в котле частиц угля и паров летучих металлов. Угольные частицы при появлении кислорода и увеличении его содержания интенсивно выгорают. Пары восстановленных летучих элементов при недостатке кислорода, взаимодействуя с серой и ее соединениями (S2, H2S, COS и др.), образуют сульфидные соединения, а при избытке кислорода - оксиды. В том и другом случае пары летучих элементов частично взаимодействуют с С02 и Н20, образуют оксиды, а в результате реакции с твердыми частицами пыли - сложные комплексы.

Возгоны, капли шлака и твердые частицы по мере движения в потоке газов коагулируют и налипают друг на друга. Все это приводит к тому, что пыль, поступающая в систему газоочистки, представляет собой сложный конгломерат частиц, являющихся продуктом химических реакций и физических превращений, протекающих в пылегазовом потоке на всем пути его движения.

Анализ пылегазовой фазы выполняли в разные периоды плавок, включая заливку шлакового расплава в печь, начало ее работы в восстановительном режиме, а также остановку печи и слив из нее расплава. Точка замера запыленности отходящих газов в газоотводящем тракте располагалась на выходе из КУ (на входе в систему газоочистки). Концентрацию пыли измеряли гравиметрическим методом. Пробы отбирали дискретно, как правило, с интервалом 15 мин, а в случае необходимости - каждые 2-3 мин. Из этой же части газоотводящего тракта отбирали пробы пыли для химического анализа, используя мини-рукавный фильтр. Дисперсный состав пыли изу-

чали с помощью каскадного импактора.

Результаты проведенных исследований подтвердили теоретические предположения о механизме образования пыли в процессе РОМЕЛТ. При работе печи в режиме восстановительной плавки большое влияние на вынос пыли оказывает тип железосодержащего сырья. При переработке пылевидных материалов пылевынос выше. На рис. 60 показано изменение запыленности отходящих газов при увеличении загрузки смеси шламов (пылей) газоочисток сталеплавильного производства. Видно, что запыленность возрастает пропорционально скорости загрузки шихты. На рис. 61 показано, как снижается запыленность отходящих газов при переходе с пылевидного шлама на более крупный материал (аглоруду). 16 Шлам—» 16 12 ^УгольЙ т/ч| - 12 8 -: ¦ f — с- - ¦'. 8 NT 4 3—Q-O- <ХУ< - 4 0 - . 1 ...1 , 1 11 1 1 0 ' 1 2 ¦ ¦ ¦ 3 ';¦;.¦.¦. Время,ч Рис. 60. Динамика изменения запыленности отходящих газов при ступенчатом изменении

расхода шлама

«Г к

Я:

2 4 6 8 Время, я

Рис. 61. Изменение запыленности отходящих газов при изменении типа сырья Влажность шихтовых материалов, их когезионные свойства влияют на способность к пылению падающего столба шихты. Для шламов сталеплавильного производства, по теоретическим расчетам, диаметр витания частиц, которые могут быть увлечены отходящими газами при характерных для процесса скоростях 2,5-3,0 м/с, составляет 0,3-0,5 мкм. Доля таких частиц в шламе более 30%. Однако из-за подачи указанного материала в печь массивным потоком с содержанием влаги 8-10% его вынос не превысил 2-3% от количества поступающего материала. При увеличении скорости загрузки шихты общий вынос пыли растет, однако его доля от загрузки уменьшается и достигает 1,5%.

Таблица 18

Сравнение пылевыноса разного железосодержащего сырья (загрузка сырья 18-20 т/ч; угля 16-17 т/ч) Сырье Зааыленвость газов, г/м3 Пылевынос т/ч % от шнхты Шлам газоочисток 12-15 0,9-1,2 2,5-3,0 Аглоруда 6-7 0,5-0,55 1,3-1,4 Окалива 5-6 0,4-0,5 1,0-1,3 Отсев окатышей 5-6 0,4-0,5 1,0-1,3 Особенность работы печи на шламах состоит в том, что в них больше, чем в других материалах, содержится примесей легковозгоняемых металлов, которые концентрируются в пыли и увеличивают общую запыленность отходящих газов. Доля возгонов в увеличении пылевыноса при работе на шламах составила около 20% общего пылевыноса.

Для изучения поведения цинка, свинца и других летучих элементов в процессе РОМЕЛТ во время балансовых плавок шламов были отобраны и проанализированы (см. табл. 19) исходное сырье (1), шлак (2) и пробы пыли, отобранной перед газоочисткой (3), после форсуночного скруббера (I ступень очистки) (4) и после скруббера Вентури (II ступень очистки) (5). На I ступени улавливается грубая фракция пыли, на II - тонкая.

Таблица 19 № анализа Si02 CaO А1г03 MgO МпО Fe06nj Zn Pb Na К 1 2,9 8,4 0,63 1,30 1,2 53,9 1,97 0,36 0,12 0,11 2 37,2 39,4 0,24 8,22 2,5 2,8 0,01 - 0,21 0,15 3 5,8 4,76 1,93 0,9 1,0 31,6 15,2 2,8 1,2 2,25 4 5,3 8,7 1,3 0,8 0,9 39,0 3,9 1.0 0,3 0,5 5 4,9 4,5 0,8 0,9 0,6 21,0 25,7 7,5 0,3 0,4 Химический состав пыли при переработке сталеплавильных шламов

192

Как и предполагалось, высокий восстановительный потенциал в печи и большие температуры способствовали практически полному переходу цинка и свинца в пылегазовую фазу. Щелочные металлы - натрий и калий - частично остаются в шлаке в виде силикатов, частично удаляются из печи аналогично цинку и свинцу.

Исследования для определения "чистого" выноса капель шлака в пыль проводили в период пуска печи и дальнейшего вывода ее на режим восстановительной плавки. Во время пуска в печь заливали необходимое количество жидкого шлака, загружали уголь, а затем смесь шихтовых материалов. В некоторые периоды в печи барботировался шлаковый расплав, а шихтовые материалы не подавали. Примеры изменения запыленности отходящих газов в эти периоды приведены на рис. 62 и 63. Пылевынос, обусловленный выносом капель шлакового расплава, составлял 1-2 г/м3 (доля в общем выносе 10-15%) при интенсивности дутья на нижние фурмы около 500 м (м * ч). Несмотря на сравнительно небольшую величину капельного уноса он существенно влияет на работу газоотводящего тракта, приводя к шлакованию поверхностей нагрева котла. Охлаждение газов в котле должно осуществляться таким образом, чтобы их температура в верхней точке была ниже температуры затвердевания шлака. В этом смысле, работа на тугоплавких низкоосновных шлаках, имеющих большую вязкость и поверхностное натяжение, предпочтительна с точки зрения улучшения работы котла. 12

з*

8 ^

ев

ьв |

4 &

СП

Уголь

Сырье 0 т/ч г

N

оо.

4 О

о о 0-0 /

L_ I 10

40

20 30 Время, мин Рис. 62. Пуск печи. Динамика изменения запыленности отходящих газов с момента

начала загрузки (угля) Уголь 16 ЕГ 12 в 8 И

? & 4 - ? 1

Аглоруда

Рис. 63. Пуск печи. Изменение запыленности отходящих газов при выводе печи на режим восстановительной плавки Сравнительная оценка дисперсного состава пыли, образующейся при переработке разных железосодержащих материалов, представлена в табл. 20. Частицы размерами < 10 мкм составляют 30-40% пыли. Повышенное содержание в пыли таких частиц при переработке шлама связано с наличием в нем значительного количества возгонов.

20 50 80 Время, мин

ПО

16 12 N* 8 4 О Таблица 20

ДИСПЕРСНЫЙ СОСТАВ ПЫЛИ Сырье Содержание, %, частиц размером, мкм <1 1-10 10-50 50-100 100-200 >200 Шлам газоочисток 25 18 13 12 15 17 Аглоруда 10 23 11 17 17 22 Окалина 8 22 17 14 11 28 Отсев окатышей 12 20 19 16 12 21 Уголь без сырья 10 25 17 15 13 20

Анализ фазового состава пыли показал наличие в ней сложных химических соединений. Большое влияние на характер их образования оказывает окислительный потенциал отходящих из печи газов и газов в высокотемпературной части котла. В случае, когда в котле был недожог (содержание СО - 2-3 %), возгоны металлов в газовой фазе по мере выхода из печи и далее по газоотводящему тракту в большей степени взаимодействовали с серой и переходили в пыль в виде серосодержащих соединений (сульфидов и др.). Так, по результатам анализа цинка в пыли его обнаружили в виде металла и соединений: ZnMeT, ZnO, ZnS, ZnFe203 (феррит), ZnFeS (сфалерит). Железо в пыли было обнаружено в форме FeMeT, FeO, Fe304, Ре2Оз, FeS, Fe^C, а также в виде сложных комплексов CaFeSi07 и Fe(SiOe). Угольные частицы, вынесенные из шихтового потока и из ванны, при наличии в отходящих газах кислорода успевают выгореть в котле. Содержание углерода в пыли при этом составляет 3-4 %. В случае недожога в котле содержание углерода в пыли перед газоочисткой достигает 15-20 % от общей массы пыли.

Таким образом, в ходе проведенных исследований были получены основные данные по составу и количеству пылевыноса. Сравнивая полученные результаты с данными известных и работающих в промышленном масштабе металлургических аг-регатов, можно отметить, что пылевынос в процессе РОМЕЛТ значительно меньше. Так, в кислородных конвертерах запыленность газов составляет 50 - 100 г/м3, в до-

3 3

менных печах - 50-60 г/м (при повышенном давлении на колошнике - 15 - 20 г/м ), в

о

печах кипящего слоя (КС) - 60-130 г/м .

При проектировании системы газоочистки печи РОМЕЛТ можно рекомендовать двухступенчатую схему очистки от пыли, в которой на I ступени улавливается грубая фракция (циклоны, скрубберы), на II - тонкодисперсная (электрофильтр, рукавный фильтр). Пыль, уловленную на I ступени, можно возвращать обратно в печь. Тонкодисперсную пыль необходимо рассматривать как сырье для извлечения цветных металлов на заводах цветной металлургии,

Технологические меры для снижения пылевыноса должны быть направлены в первую очередь на уменьшение потерь шихтовых материалов с пылью. С этой точки зрения необходимо при проектировании загрузочное отверстие максимально удалить от газоотводящего патрубка (аптейка) и приблизить к торцевой стенке печи. При этом расстояние от свода печи до поверхности ванны в области загрузочного отверстия должно быть минимальным. Кроме того, снижение выноса пыли может быть обеспе-

чено за счет создания аэрозавесы, конструкция которой разработана и защищена авторским свидетельством на изобретение.

Таким образом, концентрация пыли в отходящих газах перед газоочисткой со-

¦ъ

ставляет при работе печи на пылевидных материалах 12-15 г/м , при работе на агло- руде, отсеве окатышей, окалине - 5-7 г/м3. Вынос шихтовых материалов при самых неблагоприятных условиях (пылевидный материал, слабый поток шихтовых материалов в печь) составляет 2,0-2,5 % расхода шихты. С увеличением массивности потока шихты относительный вынос снижается до 1,5% расхода шихты.

Химический состав пыли определяется поступлением в пыль возгонов, причем раздельный химический анализ фракций пыли показывает, что при работе на шламах НЛМК тонкодисперсная фракция пыли содержит (в виде соединений) цинк - до 25-30 %, свинец - до 8-10%. Возгоны (цинк, свинец и др.) образуют в пыли сульфиды, оксиды, а также присутствуют в виде сложных комплексных соединений. Соотношение оксидов и сульфидов в первую очередь зависит от режима дожигания отходящих газов в котле-утилизаторе. Следует отметить, что переход возгонов в пыль в соединении с серой способствует снижению выбросов газообразных соединений серы в атмосферу.