Очистка газов от дуговых сталеплавильных печей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов, придающих стали особые свойства.

Преимущества электроплавки по сравнению с другими способами сталеплавильного производства связаны с использованием для нагрева металла электрической энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в нагреваемом металле, либо в непосредственной близи от его поверхности. Это позволяет вводить в печь большие количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и безокислительные шлаки, что предполагает малый угар легирующих элементов; плавно и точно регулировать температуру металла; более полно, чем других печах раскислять металл, получая его с низким содержанием неметаллических включений; получать сталь с низким содержанием серы. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке относительно легко поддаются контролю и регулированию, что очень важно при автоматизации производства.

Электропечь лучше других приспособлена для переработки металлического лома, причем твердой шихтой может быть занят весь объем печи, и это не затрудняет процесс расплавления. Металлизованные окатыши, заменяющие металлический лом, можно загружать в электропечь непрерывно при помощи автоматических дозирующих устройств.

В электропечах можно выплавлять сталь обширного сортамента.

Цель работы: выбрать и рассчитать оборудование для очистки газов, поступающих от дуговых сталеплавильных печей.

1. ХАРАКТЕРИСТИКА ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИТЕЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

1.1 Устройство дуговых электропечей

Рисунок 1 - Схемы дуговых печей различных типов: а - дуговая печь прямого действия - сталеплавильная: 1 - электрод; 2 - футеровка; 3 - загрузочная дверца; 4 - летка для выпуска жидкой стали; 5 - жидкая ванна; 6 - механизм наклона; 7 - электрододержатели; б - вакуумная дуговая печь: 1 - расплавляемый электрод; 2 - вакуумная камера; 3 - механизм перемещения электрода; 4 - кристаллизатор; 5 - жидкая ванна; в - дуговая печь косвенного действия для плавления цветных металлов: 1 - электроды; 2 - футеровка печи; 3 - жидкий металл; 4 - механизм наклона; 5 - электрододержатели; г - дуговая печь сопротивления (руднотермическая): 1 - электрод; 2 - шихта в печи; 3 - расплав; 4 - футеровка печи; 5 - летка; 6 - газовая сфера в которой горит дуга; 7 - электрододержатели; 8 - вытяжной колпак; 9 - загрузка; д - печь для получения карборунда: 1 - керн; 2 - электроды; 3 - футеровка печи; 4 - гарниссаж; е - печь для переплавки в шлаке: 1 - расходуемый электрод; 2 - кристаллизатор; 3 - слиток; 4 - жидкая ванна; 5 - шлаковая ванна; ж - плазменная установка: 1 - охлаждаемый водой корпус горелки; 2 - изоляционная вставка; 3 - катод; 4 - впуск газа; 5 - дуга; 6 - струя плазмы; з - высокочастотный безэлектродный плазменный разряд: 1 - кварцевая дуга; 2 - индуктор; 3 - безэлектродный разряд; и - электроннолучевая установка с кольцевым катодом: 1 - расплавляемый электрод-анод; 2 - вакуумная камера; 3 - вольфрамовый катод; 4 - жидкая ванна; 5 - кристаллизатор; к - электроннолучевая установка с аксиальной пушкой: 1 - расплавленный металл; 2 - вакуумная камера; 3 - кристаллизатор; 4 - вспомогательный катод; 5 - основной катод; 6 - анод; 7 - фокусирующий луч электромагнитная линза; 8 - жидкая ванна

Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузкой печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.



Рисунок 2 - Схема трехфазной дуговой печи: 1 - куполообразный свод; 2 - стенки; 3 - желоб; 4 - сталевыпускное отверстие; 5 - электрическая дуга; 6 - сферический под; 7 - рабочее окно; 8 - заслонка; 9 - электроды

Рисунок 3 - Дуговая сталеплавильная печь

1.2 Футеровка печей

Рисунок 4 - футеровка дуговой сталеплавильной печи: 1 - асбест; 2 - порошок; 3 - шамотный кирпич; 4 - огнеупорный кирпич; 5 - набивной слой; 6 - свод; 7 - летка

Большинство дуговых печей имеет основную футеровку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеровка печи создает ванну для металла и играет роль теплоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Основные части футеровки - подина печи, стены, свод. Температура в зоне электрических дуг достигает нескольких тысяч градусов. Хотя футеровка электропечи отделена от дуг, она все же должна выдерживать нагрев до температуры 1700°С. В связи с этим применяемые для футеровки материалы должны обладать высокой огне-упорностью, механической прочностью, термо- и химической устойчивостью. Подину сталеплавильной печи набирают в следующем порядке. На стальной кожух укладывают листовой асбест, на асбест - слой шамотного порошка, два слоя шамотного кирпича и основной слой из магнезитового кирпича. На магнезитовой кирпичной подине набивают рабочий слой из магнезитового порошка со смолой и пеком - продуктом нефтепереработки. Толщина набивного слоя составляет 200 мм. Общая толщина подины равна примерно глубине ванны и может достигать 1 м для крупных печей. Стены печи выкладывают после соответствующей прокладки асбеста и шамотного кирпича из крупноразмерного безобжигового магнезитохромитового кирпича длиной до 430 мм. Кладка стен может выполняться из кирпичей в железных кассетах, которые обеспечивают сваривание кирпичей в один монолитный блок. Стойкость стен достигает 100 - 150 плавок. Стойкость подины составляет один-два года. В трудных условиях работает футеровка свода печи. Она выдерживает большие тепловые нагрузки от горящих дуг и тепла, отражаемого шлаком. Своды крупных печей набирают из магнезитохромитового кирпича. При наборе свода используют нормальный и фасонный кирпич. В поперечном сечении свод имеет форму арки, что обеспечивает плотное сцепление кирпичей между собой. Стойкость свода составляет 50 - 100 плавок. Она зависит от электрического режима плавки, от длительности пребывания в печи жидкого металла, состава выплавляемых стали, шлака. В настоящее время широкое распространение получают водоохлаждаемые своды и стеновые панели. Эти элементы облегчают службу футеровки.

Ток в плавильное пространство печи подается через электроды, собранные из секций, каждая из которых представляет собой круглую заготовку диаметром от 100 до 610 мм и длиной до 1500 мм. В малых электропечах используют угольные электроды, в крупных - графитированные. Графитированные электроды изготавливают из малозольных углеродистых материалов: нефтяного кокса, смолы, пека. Электродную массу смешивают и прессуют, после чего сырая заготовка обжигается в газовых печах при 1300 градусах и подвергается дополнительному графитирующему обжигу при температуре 2600 - 2800 градусах в электрических печах сопротивления. В процессе эксплуатации в результате окисления печными газами и распыления при горении дуги электроды сгорают. По мере укорачивания электрод опускают в печь. При этом электрододержатель приближается к своду. Наступает момент, когда электрод становится настолько коротким, что не может поддерживать дугу, и его необходимо наращивать. Для наращивания электродов в концах секций сделаны отверстия с резьбой, куда ввинчивается переходник-ниппель, при помощи которого соединяются отдельные секции. Расход электродов составляет 5-9 кг на тонну выплавляемой стали.

Электрическая дуга - один из видов электрического разряда, при котором ток проходит через ионизированные газы, пары металлов. При кратковременном сближении электродов с шихтой или друг с другом возникает короткое замыкание. Идет ток большой силы. Концы электродов раскаляются добела. При раздвигании электродов между ними возникает электрическая дуга. С раскаленного катода происходит термоэлектронная эмиссия электронов, которые, направляясь к аноду, сталкиваются с нейтральными молекулами газа и ионизируют их. Отрицательные ионы направляются к аноду, положительные к катоду. Пространство между анодом и катодом становится ионизированным, токопроводящим. Бомбардировка анода электронами и ионами вызывает сильный его разогрев. Температура анода может достигать 4000 градусов. Дуга может гореть на постоянном и на переменном токе. Электродуговые печи работают на переменном токе. В последнее время в ФРГ построена элек-тродуговая печь на постоянном токе.

В первую половину периода, когда катодом является электрод, дуга горит. При перемене полярности, когда катодом становится шихта - металл, дуга гаснет, так как в начальный период плавки металл еще не нагрет и его температура недостаточна для эмиссии электронов. Поэтому в начальный период плавки дуга горит неспокойно, прерывисто. После того как ванна покрывается слоем шлака, дуга стабилизируется и горит более ровно.

1.3 Электрооборудование

Рабочее напряжение электродуговых печей составляет 100 - 800 В, а сила тока измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать 50 - 140 МВЧА. К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким напряжением питаются первичные обмотки печных трансформаторов. В электрическое оборудование дуговой печи входят производства ремонтных работ на печи. следующие приборы:

1. Воздушный разъединитель, предназначен для отключения всей электропечной установки от линии высокого напряжения во время

2. Главный автоматический выключатель, служит для отключения под нагрузкой электрической цепи, по которой протекает ток высокого напряжения. При неплотной укладке шихты в печи в начале плавки, когда шихта еще холодная, дуги горят неустойчиво, происходят обвалы шихты и возникают короткие замыкания между электродами. При этом сила тока резко возрастает. Это приводит к большим перегрузкам трансформатора, который может выйти из строя. Когда сила тока превысит установленный предел, выключатель автоматически отключает установку, для чего имеется реле максимальной силы тока.

3. Печной трансформатор необходим для преобразования высокого напряжения в низкое (с 6 - 10 кВ до 100 - 800 В). Обмотки высокого и низкого напряжения и магнитопроводы, на которых они помещены, располагаются в баке с маслом, служащим для охлаждения обмоток. Ох-лаждение создается принудительным перекачиванием масла из трансформаторного кожуха в бак теплообменника, в котором масло охлаждается водой. Трансформатор устанавливают рядом с электропечью в специальном помещении. Он имеет устройство, позволяющее переключать обмотки по ступеням и таким образом ступенчато регулировать подаваемое в печь напряжение. Так, например, трансформатор для 200 т отечественной печи мощностью 65 МВЧА имеет 23 ступени напряжения, которые переключаются под нагрузкой, без отключения печи.

Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помощи гибких, водоохлаждаемых кабелей подают напряжение на электрододержатель. Длина гибкого участка должна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединяются с медными водоохлаждаемыми шинами, установленными на рукавах электрододержателей. Трубошины непосредственно присоединены к головке электрододержателя, зажимающей электрод. Помимо указанных основных узлов электрической сети в нее входит различная измерительная аппаратура, подсоединяемая к линиям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процесса плавки.

1.4 Технология плавки стали

Рисунок 5 - Технологическая схема производства стали в дуговой сталеплавильной печи

Основное назначение дуговой сталеплавильной печи прямого действия - выплавка стали из металлического лома (скрапа). Такой процесс весьма энергоемок; на 1 т выплавленной стали в зависимости от характера процесса расходуется от 500 до 1000 кВт•ч электроэнергии, поэтому при прочих равных условиях процесс дешевле проводить в мартеновской печи, где топливо сжигается непосредственно. В связи с этим лишь сравнительно небольшую часть всей получаемой из скрапа стали выплавляют в электрических печах. В них осуществляют лишь те процессы, которые трудно проводить в мартеновской печи или конвертере. В первую очередь - это получение высоколегированных сортов стали, требующих тщательного очищения металла от вредных примесей (особенно серы) и неметаллических включений, и обезгаживания его. Для таких сортов стали стоимость передела гораздо меньше стоимости легирующих и самой стали и решающими факторами становятся качество получаемого металла и степень угара ценных добавок. Существенные преимущества (большие маневренности и скорость плавки, снижение капитальных затрат) имеет дуговая печь как агрегат для получения стального литья.

Следует отметить, что по мере удешевления электроэнергии, а также благодаря увеличению емкости дуговых агрегатов, вследствие чего уменьшается расход электроэнергии и материалов на выплавку 1 т стали, разница в стоимости передела металла в дуговой и мартеновских печах снижается. В последние годы в мощных дуговых печах выплавляют не только высоколегированные, но и низколегированные стали. В этом случае в пользу дуговых печей говорят их большая приспособляемость к характеру скрапа и легкость плавки в них крупного скрапа.

Выплавка легированных сталей включает следующие операции: расплавление металла, удаление содержащихся в нем вредных примесей и газов, раскисление металла, введение в него нужных легирующих и выливание его из печи в ковш для разливки по изложницам или формам. Значение этих операций и требования, которые они предъявляют к дуговой печи, могут быть весьма различными.

Окислительный период

Расплавление скрапа необходимо вести по возможности скорее и с минимальным расходом энергии. Зачастую длительность его превосходит половину продолжительности всей плавки и при этом расходуется 60-80% всей электроэнергии. Характерной особенностью периода является неспокойный электрический режим печи. Горящая между концом электрода и холодным металлом дуга нестабильна, ее длина невелика и сравнительно небольшие изменения в положении электрода или металла (обвал, сдвиг подплавленного куска скрапа) вызывают либо обрыв дуги, либо, наоборот, короткое замыкание. Ход плавления шихты в дуговой печи иллюстрируется на рисунке. Дуга загорается сначала между концом электрода и поверхностью шихты (а), причем для повышения ее устойчивости в первые минуты под электроды обычно подкладывают куски кокса или электродного боя. После сгорания последних начинает подплавляться металл и каплями стекать на подину. В шихте образуются колодцы, в которые углубляются опускающиеся электроды (б) до тех пор, пока они не достигнут подины, на которой во избежание перегрева ее к этому моменту должна быть образована лужа расплавленного металла (в). Это самый беспокойный, неустойчивый период горения дуги; подплавляемые куски шихты попадают на электрод, закорачивая дугу; при опускании куска шихты под торцом электрода может, наоборот, наступить обрыв тока. Горящая между электродом и расплавленным металлом дуга перегревает металл: начинается размыв и расплавление шихты, окружающей колодцы. Колодцы расширяются, уровень жидкого металла в ванне начинает повышаться, а электроды - подниматься. В конце этого периода почти весь металл оказывается расплавленным; остаются лишь отдельные куски шихты на откосах ("настыли", (г)), расплавляющиеся последними. Чтобы не затягивать период расплавления, обычно эти "настыли" сбрасывают ломом вглубь ванны. Период расплавления считают законченным, когда весь металл в печи перешел в жидкое состояние. К этому моменту режим горения дуги становится более спокойным, так как температура в печи выше, поверхность металла покрыта слоем шлака, образованным заброшенными в печь в период расплавления кусками извести и всплывающими окалинами; длина дуги по сравнению с началом расплавления увеличивается в несколько раз, дуга горит устойчивее, количество толчков тока и обрывов уменьшается.

Удаление примесей из металла начинается еще в период расплавления и продолжается в периоды раскисления и восстановления.

Вследствие сравнительно низкой температуры ванны в ней вначале идут интенсивно экзотермические реакции - окисление железа, кремния, марганца и фосфора (период окисления). Окислы их всплывают и образуют вместе с забрасываемой известью на поверхности металла шлак. В шлаке окислы кремния соединяются с закисью железа и марганца в силикаты железа и марганца, а окислы фосфора образуют с закисью железа соединения, из которых закись железа вытесняются известью с образованием прочных фосфорнокальциевых соединений. Так как для интенсивного проведения этих реакций окислов железа обычно не хватает, то во время расплавления металла или по окончании его в ванну добавляют железную руду или вдувают кислород. При этом углерод металла восстанавливает руду, а образующаяся окись углерода пузырьками всплывает - происходит так называемое "кипение", или "кип", ванны. Пузырьки окиси углерода интенсивно перемешивают металл, способствуя удалению из него окклюдированных газов. В этот период, кроме удаления из металла фосфора, происходит, следовательно, и выжигание лишнего углерода. Если в шихте углерода недостаточно для проведения кипа, то его добавляют в шихту забрасыванием чугуна.

Насыщенный окислами и силикатами железа и марганца, а также соединениями фосфора шлак спускают частично самотеком в период кипа через порог загрузочного окна в шлаковницу. Оставшийся по окончании периода окисления шлак скачивают из печи практически полностью, так как иначе в последующие периоды при подъеме температуры в ванне реакции могут пойти в обратную сторону и фосфор из шлака начнет переходить в металл. На период скачивания шлака печь отключают, а электроды поднимают во избежание их поломки.

Восстановительный период

После скачивания шлака начинается восстановительный период, в течение которого металл освобождается от большей части серы. Металл раскисляют, например ферросилицием и ферромарганцем, и на его поверхность вновь заводят шлак; в печь забрасывают известь с добавками флюса - плавикового шпата, шамота, а также восстановители - молотый кокс и древесный уголь. Веществом, связывающим серу, служит известь, но для того чтобы реакция шла удовлетворительно, необходимо соблюдение следующих условий:

Условия:

Высокая температура металла, так как это реакция эндотермическая. Кроме того, высокая температура нужна для уменьшения вязкости металла и шлака, что повышает скорость диффузии сернистого железа в шлак, где оно связывается с известью.

Наличие в шлаке достаточного количества извести, обеспечивающего удалению серы из металла по уравнению FeS+Ca)=FeO+CaS, и восстановителей, например углерода, восстанавливающего железо по уравнению FeO+C=Fe+CO. Обе эти реакции дают суммарную реакцию FeS+CaO+C=CaS+Fe+CO-31600 ккал, являющуюся необратимой, так как CO в виде газа удаляется из шлака.

Наличие в печи восстановительной атмосферы, так как в окислительной атмосфере невозможно добиться удовлетворительного раскисления металла и шлака.

В конце периода расплавления в металл вводят легирующие добавки, чтобы довести его состав до требуемого, окончательно раскисляют его, например алюминием, и приступают к разливке. Такой процесс получения в дуговой печи высококачественных легированных сталей носит название "основного процесса с полным окислением", так как он основан на использовании основных известковых шлаков. Основные шлаки при высоких температурах в печи интенсивно размывают любую футеровку, кроме основной. Поэтому печи, работающие на основном процессе, должны иметь магнезитовую или доломитовую футеровку ванны.

Кислый процесс

При выплавке стали для фасонного литья требования к плавильному агрегату несколько иные. Обычно в такой стали допустимо повышенное содержание серы и фосфора, так что при плавке нет необходимости в удалении этих примесей и плавку ведут так называемым "кислым процессом", при котором шлаки состоят из кремнекислоты и окислов металла, а футеровку печи во избежание ее разъедания выполняют кислой (из динаса).

Периоды расплавления в кислой и основной печах существенно не различаются, а рафинировка металла сведена лишь к раскислению его и некоторому выжиганию углерода, так как ни фосфор, ни серу при кислом процессе удалить нельзя. Таким образом, с точки зрения получения чистого металла дуговая печь при кислом процессе не имеет существенных преимуществ перед мартеновской и ее широкое применение при производстве фасонного стального литья объясняется другими причинами. Так как отливки малы, разливка длится долго и нужен очень жидкотекучий металл, легко заполняющий полости литейных форм, то фасонное литье требует значительного перегрева металла. Такой перегрев легко получить в дуговой печи и трудно в мартеновской. Кроме того, мартеновская печь является для фасонного стального литья слишком крупным и негибким агрегатом, дающим сразу большую массу металла сравнительно небольшими порциями. Поэтому дуговая печь более удобна для фасонного стального литья, чем мартеновская, и большинство отечественных машиностроительных заводов имеют цехи с дуговыми печами для фасонного стального литья.

Длительность плавки в дуговой печи, работающей на кислом процессе, значительно меньше, чем при основном. В последнем случае расплавление длится обычно 1,5-2,5 ч, а рафинирование (включая раскисление) от 2 до 4 ч, так что вся длительность плавки может доходить для крупных печей до 4-6 ч, тогда как при кислом процессе она не превосходит 2,5-3 ч. Так как длительность плавки сокращается в основном за счет периода рафинирования, когда температура в печи достигает максимума, то футеровка и механизмы печи при кислом процессе находятся в более легких температурных условиях работы и срок службы их увеличивается. С другой стороны, период расплавления в кислых печах можно сократить, увеличив мощность печного трансформатора. При коротких циклах плавки это дает больший экономический эффект, чем при длительных плавках в основных печах, продолжительность которых определяется в основном периодами окисления и рафинирования, мало зависящими от мощности печи.

Дуплекс-процесс

Основное преимущество дуговой печи заключается в возможности раскисления и обессеривания металла и легкости его перегрева, поэтому в целях удешевления процесса иногда применяют так называемый "дуплекс-процесс", при котором расплавление скрапа и окисление ведут в более дешевом плавильном аппарате - мартеновской печи, а затем жидкий металл переливают в дуговую печь для рафинирования и доводки до нужного состава. Реже применяют дуплекс-процесс "конвертер - электропечь". Аналогично этому при специальном чугунном литье часто металл после расплавления в вагранке заливают в дуговую печь для частичного обессеривания и перегрева.

При дуплекс-процессах мощность печи может быть меньше, чем при работе на твердой завалке, так как расплавление скрапа в этом случае отсутствует. Проводящиеся время от времени плавки на твердой завалке выполняют при уменьшенном весе шихты; они из-за меньшей мощности более длительны, но так как проводятся не часто (главным образом после ремонта футеровки), то их удлинение не является существенным. Электрический режим печей, работающих на жидкой завалке, также значительно спокойнее. При наличии жидкого металла, покрытого слоем шлака, дуга горит более стабильно, и отсутствуют короткие замыкания из-за обрывов шихты.

Дуговые печи косвенного действия

Дуговые печи косвенного действия применяют почти исключительно для переплавки цветных металлов (иногда чугуна), поэтому температуры в них значительно меньше. Кроме того, в них производят лишь расплавление и перегрев металла без шлака. Поэтому их футеровку можно выполнить из шамота и лишь при выплавке чугуна футеровка должна быть из динаса. Дуга в этих печах горит только между электродами, поэтому ее режим спокойнее. С другой стороны, футеровка дуговой печи косвенного действия находится под прямым воздействием излучения дуг, что требует дополнительных мер для ее равномерного нагрева, особенно в конце плавки. Для этого в современных печах применяют качание корпуса печи, благодаря чему нагретые части футеровки периодически омываются (и тем самым охлаждаются) расплавленным металлом, более холодным, чем футеровка.

2. ВОЗДЕЙСТВИЕ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОКРУЖАЮЩУЮ СРЕДУ

Основным воздействием электросталеплавильного производства, является загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение поверхностных вод сточными водами и загрязнение почвы отходами производства.

Основные источники загрязнения атмосферного воздуха:

Выбросы электродуговых печей состоят из токсической и нетоксической пыли, содержащей оксиды железа, цинка, меди, свинца, диоксиды хрома, оксиды и диоксиды кремния, а также газов (оксиды углерода, диоксиды серы и азота).

Электросталеплавильное производство является одним из производств, выбрасывающих большое количество пыли и других загрязняющих веществ. Величина этих выбросов зависит от применяемого сырья, технологического режима плавки, использования интенсификаторов и способа отвода газов от печи.

Выход технологических газов из электросталеплавильной печей определяется сгоранием углерода шихты и электродов, разложением необожженной части известняка и подсосом атмосферного воздуха в печь. Количество отходящих газов равно 40 - 150 мі/ч на 1 т садки без продувки кислородом и 200 мі/ч при продувке. Физико-химические процессы, протекающие в электропечах при выплавке различных марок сталей различны, они определяют состав вредных выбросов.

Пылевые выбросы. Мелкодисперсная пыль образуется в результате испарения металла в районе действия электрических дуг, пары которого конденсируются и взаимодействуют с кислородом и азотом имеющимися в рабочем пространстве печи. Более крупные фракции пыли образуются из шлакообразующих и раскислителей. В период расплавления чистой и крупногабаритной шихты образуется небольшое количество пыли. В период кипения выбросы достигают максимальных значений в результате действия кислородных струй и активного кипения металла, в период доводки выбросы снижаются до минимума. Вынос пыли составляет 10 кг/т стали, выплавляемой без продувки кислородом, и 20 кг/т стали с продувкой. В первую половину плавки выделяется до 75% всей пыли. При выплавке стали на грязном, ржавом и малогабаритном скрапе количество пыли увеличивается. При продувке кислородом количество возгоняемой пыли резко увеличивается. Приведем ряд данных с разных заводов: на одном - средний размер частиц пыли был равен 0,06 мкм, в другом случае пыль содержала 85% частиц с фракцией меньше 4 мкм, в третьем случае свыше 95% пыли имели размер меньше 0,5 мкм. Пыль выбрасываемая электросталеплавильными печами, состоит преимущественно из оксидов железа. В период расплавления суммарное количество оксидов железа составляет около 80%, в период кипения (при продувке кислородом) 62%, в период доводки - 53%. В период расплавления в пыли появляются оксиды марганца (примерно 11%), в период доводки - оксиды кальция (6%) и магния (9%).

Таблица 1 - Химический состав газов электросталеплавильных печей

Состав	Содержание, %
	по К. Гутману	по В.Б. Уэлису
Fe2O3	19	37,2
Cr2O3	1	0,13
NiO	0	0,02
MnO2	4	4,2
SiO2	14	2,98
Al2O3	2	0,41
CaO	22	5,17
MgO	38	2,45
Потери	0	3,6
PbO	0	3,92
CuO	0	0,4
ZnO	0	35,5
SO3	0	1,54
N2O - K2O	-	1,6

Выбросы загрязняющих веществ. Высокая температура и действие электрической дуги в рабочем пространстве печи вызывает образование оксида углерода, оксидов азота и серы, цианидов и фторидов, которые выбрасываются из печи вместе с газами.

Таблица 2 - Содержание загрязняющих газообразных веществ в технологических газах, выбрасываемых из электросталеплавильных печей

Загрязняющие вещества	Средняя концентрация, мг/м3	Удельные выбросы, г/т стали
NOx	550	270
SOx	5	1,6
CO	13500	1350
Цианиды	60	28,4
Фториды	1,5	5,6
CH4	0,9	нет данных
Бензопирен (мкг/м3)	0,09	нет данных

Отходящие газы ДСП взрывоопасны. Состав газа %: CO - 15-25 %, H2 - 0,5-3,5; CO2 - 5-10; N2 - 61-70; O2 - 3,5-10.

Неорганизованные выбросы. Количество неорганизованных выбросов из дуговых электросталеплавильных печей точному учету не поддается из-за наличия неконтролируемых отверстий. Общее количество газов неорганизованных выбросов составляет до 40% всего количества технологических газов.

При сбросе сточных вод сталеплавильного предприятий в водоеме увеличивается количество взвешенных веществ, значительная часть которых осаждается в месте спуска, повышается температура воды, ухудшается кислородный режим. Изменяется кислотность воды, нарушается ход биологических процессов. Поступление загрязняющих веществ может привести к гибели водных организмов и нарушению естественных процессов в самоочищении водоемов (хлориды, сульфиды, нитраты железа, гидроксил кальция, свинец, хром и его соединения, соляная кислота, серная кислота и др.).

В сталеплавильном производстве используется большое количество воды. Все сточные воды насыщены взвешенными частицами, образующимися при очистке от пыли, золы и других твердых материалов.

Для сталеплавильного производства применение лома составляет: электростали - до 940, чугуна передельного - до 120, чугуна литейного - до 20, чугунного литья - до 700 кг/т.

Коксовый газ после очистки от пыли, смол и твердых летучих веществ используют в качестве топлива.

Сталеплавильные предприятия с большим количеством цехов и вспомогательных служб занимают до 1 000 га. Площади земельных угодий, нарушенных горными работами, занятых отвалами, золо- и шлаконакопителями, огромны.

Таблица 3 - Воздействие сталеплавильного производства на окружающую среду

Критерии	Проблемы
Воздействие на окружающую среду	Загрязнение водных объектов
	Высокий уровень выбросов в атмосферу (пыль, газы)
	Задалживание территорий
	Загрязнение почвы
Влияние на человека	Заболеваниям дыхательных путей и накопление в организме тяжелых металлов
	Негативные последствия на жителей прилегающих территорий и рабочих завода
Энергопотребление	Большой расход топлива и электроэнергии
	Большие потери энергии при произ-ве
Экономический показатель	Большие затраты на сырье и топливо
	Платежи за экологический ущерб (сбросы и выбросы в окружающую среду)
	Высокие затраты на захоронение отходов
	Потеря ценных компонентов в отходах

3. АЛЬТЕРНАТИВНЫЕ ВАРИАНТЫ СИСТЕМ ОЧИСТКИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ ДУГОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Электропечи небольшой емкости применяют в сталелитейных цехах. Для улавливания запыленных газов над электропечью устанавливают зонты или используют бортовые отсосы. В электросталеплавильных цехах металлургических заводов действуют в основном большегрузочные печи (25 т и более). От них запыленный газ удаляют через патрубок в свод печи. Кроме того, в новых цехах улавливают и подвергают очистке так называемые неорганизованные выбросы, т. е. газы, которые попали в цех в период заливки чугуна, завлки шихты и выпуска стали.

Очистку газов от электросталеплавильных печей осуществляют мокрым способом в скоростных пылеуловителях с высоконапорными трубами Вентури

Рисунок 6 - Схема отвода печных газов

Печные газы через отверстие в своде по футерованному патрубку 1 поступают в скруббер-охладитель 2; перед скруббером имеется регулируемый зазор, через который подсасывается воздух, обеспечивающий дожигание горючих компонентов аза. В скруббере 2 газ охлаждается водой, подаваемой через форсунки от водопроводной сети 3. отработанная вода собирается в баке 5. расход воды регулируют, обеспечивая охлаждение газов до температуры менее 200 0С; температуру газов измеряют термопарой 4, установленной в вертикальном газопроводе. Далее газы через регулирующую заслонку 6 дымососом 7 подаются в батарею труб Вентури 8 с водяными форсунками, где пыль поглощается каплями воды. После прохождения циклонного каплеуловителя 9 газы выбрасываются в атмосферу через выхлопную шахту 10.

Так же очистку газов от электросталеплавильных печей осуществляют сухим способом в пластинчатых многопольных электрофильтрах или тканевых рукавных фильтрах. Предпочтение отдают очистке газов в электрофильтре как наиболее эффективному способу с наименьшими эксплуатационными расходами.

Рисунок 7 - Схема совмещенной очистки газов, отводимых от электропечи и подкрышного зонта, в рукавном фильтре: 1 - печь; 2 - заборный водоохлаждаемый патрубок; 3 - камера дожигания СО; 4 - охлаждающая камера; 5 - муфта регулирования зазора; 6 - клапан для подсоса атмосферного воздуха в камеру дожигания; 7 - клапан для подсоса атмосферного воздуха в камеру охлаждения; 8 - подкрышный зонт; 9 - регулировочный клапан; 10 - рукавный фильтр; 11 - пылезагрузочная установка; 12 - газопровод чистого газа; 13 - дымосос; 14 - дымовая труба

Рисунок 8 - Схема газоочистных сталеплавильных печей: а - электрофильтр на смеси газов от печи и от зонта над печью; б - раздельная схема очистки газов от печи в скруббере Вентури и отсоса от зонта в электрофильтре

4. ТЕХНИЧЕСКОЕ РЕШЕНИЕ ПОСТАВЛЕННОЙ ЗАДАЧИ

Рукавные тканевые фильтры применяются для очистки больших объемов воздуха (газов) со значительной концентрацией пыли. Фильтрующими элементами в этих аппаратах являются рукава из специальной фильтровальной ткани.

Рукавные фильтры обеспечивают тонкую очистку воздуха от пылевых частиц, имеющих размер менее 1 мкм. Наряду с циклонами рукавные фильтры являются одним из основных видов пылеулавливающего оборудования и широко применяются на предприятиях черной и цветной металлургии, химической промышленности, промышленности строительных материалов, пищевой промышленности, в энергетических установках и др.

Известны всасывающие и нагнетательные рукавные фильтры.

Всасывающие фильтры устанавливаются до вентилятора, т. е. на его всасывающей линии. Нагнетательные рукавные фильтры устанавливаются на нагнетательной линии. Воздух, очищенный в рукавах нагнетательных фильтров, поступает непосредственно в помещение, где установлены фильтры. Недостатком нагнетательных фильтров, из-за которого не может быть рекомендовано их применение, является поступление воздуха после фильтров в помещение. При наличии неплотностей в рукавах происходит выбивание пыли в помещение. Запыленный воздух проходит через вентилятор, что вызывает более быстрый износ вентилятора, а при перемещении воздуха, содержащего пожаро- и взрывоопасную пыль, это недопустимо.

Недостатком всасывающих фильтров является наличие значительных подсосов воздуха.

В эксплуатации находятся многие конструкции рукавных фильтров, отличающиеся формой корпуса, диаметром и длиной рукавов, видом применяемой фильтровальной ткани, способом регенерации и др.

В настоящее время выпускается и эксплуатируется множество разнообразных конструкций тканевых фильтров. По форме фильтровальных элементов и тканей они могут быть рукавные и плоские (полотняные), по виду опорных устройств - каркасные, рамные и т.д., по наличию корпуса и его форме - цилиндрические, прямоугольные, открытые (бескамерные), по числу секций - одно- и многосекционные. Фильтры могут также различаться по способу регенерации и ряду других признаков.

Для своего курсового проекта выбираем очистку отходящих газов с применением тканевого рукавного фильтра.

Конструктивно гибкая фильтрующая перегородка выполняется в виде рукава, поэтому и фильтры с гибкими фильтрующими перегородками получили название «рукавные».

В нормально работающих рукавных фильтрах концентрация пыли на выходе из аппарата обычно не превышает 20 мг/м3. При использовании высокоэффективных фильтровальных материалов и улавливании волокнистых пылей концентрация на выходе может снижаться до 1 мг/м3 и менее.

Рисунок 9 - Общий вид рукавного фильтра: 1 - корпус; 2 - фильтрующие рукава; 3 - коллектор сжатого воздуха; 4 - сборник пыли

Регенерация фильтровальной ткани рукавов производится путем механического или аэродинамического воздействия на фильтровальную ткань с целью разрушения и удаления слоя осевшей пыли.

При выборе способа регенерации имеют значение вид ткани, конструкция аппарата, характеристики пыли и технологического процесса, другие факторы.

Механическое встряхивание может выполняться несколькими способами.

Нестойкие на изгиб ткани (например, из стекловолокна) регенерируют быстрым покачиванием из стороны в сторону без изменения натяжения. Фильтры из более эластичных и нетолстых тканей можно отряхивать, придавая материалу волнообразные колебания. Широко используемые для обработки газовых выбросов рукавные фильтры (аппараты с вертикальными фильтрующими элементами в виде тканевых рукавов) встряхивают волнообразным изменением натяжения ткани, поднимая и опуская вверх рукава. Большинство встряхивающих устройств снабжается электроприводом. Иногда встряхивание комбинируют с продувкой тканей.

В ряде рукавных фильтров регенерация фильтровальной ткани осуществляется путем обратной струйной и импульсной продувки рукавов.

Обратной продувкой регенерируют ткани при улавливании легко сбрасываемых пылей. Для этого изменяют направление дутья, подавая на регенерацию свежий или очищенный воздух. Последний вариант предпочтительней, так как не увеличивается количество воздуха в системе. Для выполнения обратной продувки фильтр может отключаться посекционно или полностью.

Расход воздуха на обратную продувку принимают до 10% от количества очищаемого газа.

При отложениях пыли на внутренней поверхности рукавов осуществляют струйную продувку, подавая воздух из щели кольцевой трубки-каретки, одеваемой на рукав и медленно движущейся вдоль него. В полость кольца подается воздух от высоконапорного вентилятора или воздуходувки по гибкому шлангу. Воздух истекает из кольца через щель. Слой осевшей пыли разрушается в результате воздействия на него перемещающегося кольца и выдувания пыли струей воздуха, вытекающей из кольца со скоростью 10…30 м/с. Пыль падает в бункер.

Рисунок 10 - Схема обратной струйной продувки рукавного фильтра: 1 - рукав; 2 - кольцо со щелью и патрубком для подвода сжатого воздуха

Это наиболее мощный способ регенерации, позволяющий выдуть даже частицы пыли, застрявшие в пространстве между нитками. Поэтому фильтры, оборудованные каретками струйной продувки, могут работать с повышенными нагрузками и перепадами давления. Недостатки струйной продувки заключаются в сложности устройства перемещения каретки и истирании ею толстых фильтрующих материалов-войлоков, фетров, для которых в основном струйная продувка и используется.

Другая разновидность выдувания пыли - импульсная регенерация - используется в рукавных фильтрах при схеме подачи загрязненного воздуха снаружи внутрь рукава и отложениях пыли на его внешней поверхности. При импульсной продувке струя сжатого воздуха, исходящая из сопла распределительной трубы, подсасывает очищенный газ (воздух) и поступает в рукав. Под воздействием избыточного давления рукав раздувается, происходит разрушение слоя осевшей пыли и ее выпадение в бункер.

Рисунок 11 - Каркасный рукавный фильтр с импульсной прдувкой: 1 - соленоидный клапан; 2 - труба для ввода сжатого воздуха; 3 - сопло; 4 - струя сжатого воздуха; 5 - прибор автоматического управления регенерацией; 6 - рукав; 7 - каркас; 8 - бункер

Кроме эффекта продувки пульсирующий поток оказывает и механическое встряхивающее действие. Импульсную регенерацию выполняют без отключения секций. Чтобы не происходило слишком интенсивной регенерации с удалением остаточного равновесного количества пыли (что приведет к большой величине проскока в начальный период работы фильтра после регенерации), варьируют давление сжатого воздуха, продолжительность и частоту импульсов.

Продолжительность импульса 0,1…0,2 с, частота - 10 импульсов в минуту, давление сжатого воздуха 500…600 кПа. Расход сжатого воздуха составляет 0,1…0,2 % от количества очищенного газа (воздуха).

4.1 Выбор и расчет оборудования для очистки выбросов дуговых электросталеплавильных печей

Запроектировать и рассчитать рукавный фильтр. Определить фильтрующую поверхность, гидравлическое сопротивление, мощность электродвигателя вентилятора при транспортировке газов через фильтр и продолжительность цикла фильтрования аппарата для очистки газов.

Исходные данные.

Расход очищаемых газов 64000 м3/ч; температура пыли в очищаемых газах t0 = 60°С; концентрация пыли в очищаемых газах 1,0 г/м3; плотность пыли с = 2,6Ч103 кг/м3; медианный диаметр частиц пыли 3,2 мкм. Требования к очищенному газу: содержание пыли не должно превышать 10 мг/м3, КПД вентилятора 0,75. Передача к вентилятору - клиноременная.

Решение.

Определяем удельную газовую нагрузку

(4.1)

где qН = 1,2 м3/(м2Чмин) - нормативная удельная нагрузка, зависящая от вида пыли и ее склонности к агломерации [3, табл. 10.1, стр.143];

С1 = 1 - коэффициент, характеризующий способность регенерации фильтровальных элементов [3, стр.142]

С2 = 1,1 - коэффициент, учитывающий влияние концентрации пыли на удельную газовую нагрузку [3, рис. 10.1, стр.144]

С3 = 0,9 - коэффициент, учитывающий влияние дисперсного состава пыли в газе [3, табл. 10.2, стр.143]

С4 = 0,84 - коэффициент, учитывающий влияние температуры газа [3, табл. 10.3, стр.143]

С5 = 0,95 - коэффициент, учитывающий требования к качеству очистки [3, стр.144]

Подставляя значения в формулу (4.1), получим

Определяем фильтровальную площадь

(4.2)

Принимаем для приведения условий фильтр ФРКДИ-1100.

Определяем гидравлическое сопротивление фильтровальной перегородки [3, стр. 146]

(4.3)

где - постоянная составляющая гидравлического сопротивления, Па;

- переменная величина гидравлического сопротивления, Па.

Постоянная составляющая гидравлического сопротивления считаем по формуле [3, стр.146]:

(4.4)

где КП = 3700Ч106 м-1 - коэффициент, характеризующий сопротивление фильтровальной перегородки с оставшимся на ней слоем пыли [3, стр.146];

µ = 20Ч10-6 ПаЧс - динамический коэффициент вязкости газа;

щ = 0,016 м/с - скорость фильтрования;

n = 1 - показатель степени, зависящий от режима течения потока [3, стр. 146].

Подставляем значения в формулу (4.4), получим

Переменная величина гидравлического сопротивления считаем по формуле [3, стр.147]

(4.5)

где К1 = 80Ч109 м/кг - сопротивление слоя пыли [3, стр. 147];

ф = 600 с - цикл фильтрования;

µ = 20Ч10-6 ПаЧс - динамический коэффициент вязкости газа;

щ = 0,016 м/с - скорость фильтрования;

n = 1 - показатель степени, зависящий от режима течения потока [3, стр. 146].

Подставляем значения в формулу (4.5), получим

Подставляем значения поученные в формулах (4.4) и (4.5) в формулу(4.3), получим

Длительность цикла фильтрования можно увеличить до 900 с; тогда при пересчете

Определяем гидравлическое сопротивление аппарата в целом, пользуясь выражением [3, стр.145]

(4.6)

где Дpк - гидравлическое сопротивление корпуса, Па.

Гидравлическое сопротивление корпуса определяем, задаваясь коэффициентом гидравлического сопротивления корпуса [3, стр.146]

(4.7)

где щвх - скорость газового потока во входном патрубке, м/с;

оК = 2,5.

Скорость газового потока во входном патрубке определяем по формуле

Тогда подставив значения в формулу (4.7), получим

Тогда общее гидравлическое сопротивление аппарата

Определяем мощность электродвигателя вентилятора при транспортировании газа через фильтр по формуле [3, стр.149]

(4.8)

где К' - коэффициент запаса электродвигателя на пусковой момент (расчет подсчитывается без учета данного коэффициента);

зм = 0,92 - КПД передачи [3, стр.149];

зв = 0,75 - КПД вентилятора [3, стр.149].

Подставив значения в формулу (4.8), получим

Заключение

В ходе данного курсового проекта было изучено сталеплавильное производство и оборудование для очистки отходящих газов.

Электропечь лучше других приспособлена для переработки металлического лома. Она лучше других приспособлена для переработки металлического лома.

Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.

Большинство дуговых печей имеет основную футеровку, состоящую из материалов на основе MgO. Футеровка печи создает ванну для металла и играет роль теплоизолирующего слоя, уменьшающего потери тепла. Основные части футеровки - подина печи, стены, свод.

Основным воздействием электросталеплавильного производства, является загрязнение атмосферного воздуха, загрязнение поверхностных вод сточными водами и загрязнение почвы отходами производства.

Очистку газов от электросталеплавильных печей осуществляют мокрым способом в скоростных пылеуловителях с высоконапорными трубами Вентури и сухим способом в пластинчатых многопольных электрофильтрах или тканевых рукавных фильтрах.

Для своего курсового проекта я запроектировал и рассчитал тканевый рукавный фильтр ФРКДИ-1100.

Площадь фильтрующей поверхности , гидравлическое сопротивление , мощность электродвигателя вентилятора при транспортировке газов через фильтр и продолжительность цикла фильтрования аппарата для очистки газов ф = 900 с.

Литература

электропечь сталь газ очистка

1. Дикань В.Л., Дейнека А.Г., Позднякова Л.А., Михайлов И.Д., Каграманян А.А. Основы экологии и природопользования. Учебное пособие - Харьков: ООО «Олант», 2002.

2. Юдашкин М.Я. Пылеулавливание и очистка газов в черной металлургии. М.: Металлургия, 1984.

3. Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве: Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - М.: Металлургия, 1990.

4. Свенчанский А.Д., Смелянский М.Я. Электрические промышленные печи. Ч. 2. Дуговые печи. Учебное пособие для вузов. М. «Энергия», 1970.

5. Мазус М.Г. Мальгин А.Д., Моргулис М.Л. Фильтры для улавливания промышленных пылей. - М.: Машиностроение, 1985.

6. Пер. с англ./Под ред. Калверта С., Инглунда Г.М. Защита атмосферы от промышленных загрязнений: Спра. Изд.: В 2 2-х ч. Ч.2. М.: Металлургия, 1988.

7. Ветошкин А.Г. Процессы и аппараты пылеочистки. Учебное пособие. - Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2005.

8. http://www.masters.donntu.edu.ua/2009/fizmet/makhortova/diss/index.htm

Размещено на Allbest.ru

...