Глава 15. Образование пыли

Формирование пылевой фазы при газификации угля в шлаковом расплаве - сложный физико-химический процесс, включающий не­сколько стадий и завершающийся только на выходе из энергетическо­го котла-утилизатора на входе в систему газоочистки.

На основе анализа механизмов пылеобразования в традиционных и хорошо изученных металлургических процессах были сформули­рованы предположения об основных источниках образования пыли, превращениях пылегазового потока в реакторе и далее по газоотво­дящему тракту.

Формирующийся пылевой поток можно разделить на следующие составляющие по источникам образования (рис. 15.1): механический вынос отходящими газами мелких частиц шихтовых материалов, за­гружаемых через воронку в своде; механический вынос выходящими из ванны газами капель жидкого расплава, 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.

Рисунок 15 1 Схема формирования пыпегазового потока 1 - механический вынос частиц 2 - механический вынос капель жидкого расплава 3 - возгонка летучих элементов (КУ - котел-утилизатор)

Наиболее существенную долю в пылевом потоке составляет унос шихтовых материалов, особенно при переработке пылевидного сы­рья, загружаемого 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 поток шихтовых материалов можно разделить на несколько состав­ляющих:

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

- воздействие потоком отходящих газов, вышедших из ванны в пространстве между торцевой стенкой реактора и местом падения шихтовых материалов;

- воздействие потоком воздуха, подсасываемого внутрь реактора через загрузочную воронку.

Необходимо отметить, что в результате интенсивного барбота- жа 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. К основным факто­рам, влияющим на интенсивность выноса частиц шихты, относят­ся: влажность и крупность ее компонентов, высота свободного па­дения потока материалов, удаленность оси загрузочного отверстия от боковой и торцевой стенок реактора 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 площади реак­тора. Это обеспечивает относительно равномерное 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 барботируемого шлакового расплава, который обладает фильтрующим действием по отношению к образующимся в этих зонах и поднимающимся в газовых пузырях диспері ированным 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 расплаве.

В пылегазовом потоке по мере его выхода из реактора и далее в вы­сокотемпературной зоне газоотводящего тракта происходят различ­ные превпашения. Ло входа в котел отходящие газы состоят в основ­ном из(кислород отсутствует), после дожигания СО и

в котле 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 пои недостатке кислорода, взаимодействуя с серой и ее соединениямги

др.), образуют сульфидные соединения, а при избытке кислорода - ок­сиды. В том и другом случае пары летучих элементов частично взаи­модействуют сиобразуют 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 реактор, начало его работы в режиме газификации, а также остановку и слив расплава. Точка за­мера запыленности отходящих газов в газоотводящем тракте распола­галась на выходе из КУ (на входе в систему газоочистки).

Результаты проведенных исследований подтвердили теоретиче­ские предположения о механизме образования пыли. При работе в режиме с добавками в качестве дополнительного газифицирующего агента железосодержащего сырья большое влияние на вынос пыли оказывает тип добавок. При пылевидных материалах пылевынос выше. На рис. 15.2 показано изменение запыленности отходящих газов при увеличении загрузки смеси шламов (пылей) газоочисток сталеплавильного производства. Видно, что запыленность возрастает пропорционально скорости загрузки шламов. На рис. 15.3 показано,

Рисунок 15 2 Динамика изменения запыченности (Z) отходягцих газов при ступен­чатом изменении расхода шлама

Рисунок 15 3 Изменение запыченности (Z) отходящих газов при изменении типа добавок

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 ОД- ОД мкм Доля таких частиц в шламе более 30%.

как снижается запыленность отходящих газов при переходе с пыле­видного шлама на более крупный материал (железную руду).

материала. При увеличении скорости загрузки шихты общий вынос пыли растет, однако его доля от загрузки уменьшается и достигает 1,5%. Вынос угля с отходящими газами, оцениваемый по содержанию углерода в пыли при режиме работы котла с недожогом, не превышает 2% от его загрузки. Сравнительная оценка пылевыноса при одинако­вой производительности реактора на сырье разных типов приведена в табл. 15.1.

Таблица 151 Сравнение пылевыноса различных железосодержащих добавок (загрузка добавок 18-20 т/ч, угля 16-17 т/ч)

Особенность работы реактора на шламах состоит в том, что в них больше, чем в других материалах, содержится примесей легковозго- няемых металлов, которые концентрируются в пыли и увеличивают общую запыленность отходящих газов. Доля возгонов в пылевыносе при работе на шламах составила около 20% общего пылевыноса.

Для изучения поведения цинка, свинца и других летучих элементов во время балансовых плавок шламов были отобраны и проанализиро­ваны (см рис.

Таблица 15 2Химический состав пыли при добавках стсыетавизь- ных шламов

Как и предполагалось, высокий восстановительный потенциал в ре­акторе 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 расплава аналогично цинку и свинцу Анализ грубой и тонкой фракции пыли показал, что цинк и свинец сосредотачиваются в наиболее тонкодисперсной фракций пыли, улавливаемой на II сту­пени очистки трубой Вентури Щелочи после взаимодействия пыли с водой в аппаратах газоочистки частично растворяются в воде, поэтому результаты представленного анализа распределения щелочей по сту­пеням очистки неполные, так как анализу подвергался только твердый остаток фильтрации водной взвеси, отобранной на каждой ступени.

Исследования для определения «чистого» выноса капель шлака в пыль (без загрузки шихтовых материалов) проводили в период пуска реактора и дальнейшего вывода его на режим газификации угля. Во время пуска в реактор заливали необходимое количество жидкого шла­ка, затем загружали уголь до содержания в ванне, обеспечивающего по­лучение генераторного газа. После этого начинали загрузку металлур­гического сырья, содержащего оксиды железа В некоторые периоды в реакторе осуществлялся барботаж без подачи шихтовых материалов Примеры изменения запыленности отходящих газов в эти периоды приведены на рис 15 4 и 15.5.

Время, мин

Рисунок 15 4 Пуск реактора Динамика изменения запыленности (Z) отходящих газов с момента начача загрузки угчя 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 м3(м2*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.

Сравнительная оценка дисперсного состава пыли, образующейся при переработке разных железосодержащих материалов, представ­лена в табл 15.3. 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

Рисунок 15 5 Пуск реактора Изменение запыченности (Z) отходящих газов при вы­воде реактора на режим восстановительной плавки

Таблица 15 3 Дисперсный состав пыли

Анализ фазового состава пыли показал наличие в ней сложных химических соединений. Большое влияние на характер их обра­зования оказывает окислительный потенциал отходящих 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 реактора 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 впыли его обнаружили в виде ме

при наличии в них 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 возрастает до 15-20 %.

Таким образом, в ходе проведенных исследований были получены основные данные по составу и количеству пылевыноса. Сравнивая по­лученные результаты с данными известных и работающих в промыш­ленности металлургических агрегатов, можно отметить, что пылевынос в процессе газификации угля в шлаковом расплаве значительно мень­ше. Так, в кислородных конвертерах запыленность газов составляет 50 -100 г/м3, в доменных печах - 50-60 г/м’ (при повышенном давлении на колошнике - 15-20 г/м3), в печах кипящего слоя - 60-130 г/м3.

Вынос пыли из энергетических топок, использующий уголь, на порядок выше. Так, коэффициент уноса золы составляет от 0,95 для камерных топок с твердым шлакоудалением до 0,1 для топок с гори­зонтальными циклонными предтопками [7].

При проектировании системы газоочистки 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 реактор Тонкодисперсную пыль необходимо выводить из процесса и можно рассматривать как сырье для извлечения цветных металлов на предприятиях 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 и приблизить к торцевой стенке реактора. При этом расстоя­ние от свода реактора до поверхности ванны в области загрузочного отверстия должно быть минимальным.

Таким образом, концентрация пыли в отходящих газах перед газоо­чисткой составляет при работе на пылевидных материалах 12-15 г/м3, при газификации угля - 5-7 г/м3. Вынос шихтовых материалов при самых неблагоприятных условиях (пылевидный материал, слабый поток шихтовых материалов) составляет 2,0-2,5 % от расхода ших­ты. С увеличением массивности потока шихты относительный вынос снижается до 1,5%.

Химический состав пыли в значительной степени определяется по­ступлением в пыль возгонов, причем раздельный химический анализ фракций пыли показывает, что при подаче в печь цинк и свинецсодер­жащих материалов мелкодисперсная пыль 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.