7. Газовідвідний тракт конвертера

Незалежно від типу конструкції конвертера і технологічного процесу тракт повинний складатися із системи відводу, охолодження, очищення й утилізації конвертерних газів. Це обумовлено тим, що в процесі продувки з конвертера виділяються гази в кількості 60..80 м³/т сталі з температурою 1500..1700°С і вмістом пилу від 50 до 350 г/м³ (а в ряді випадків і більш). Газ, як правило, містить до 90% оксиду вуглецю.

Відповідно до вимог санітарних норм викид у навколишню атмосферу таких газів неприпустимий. У той же час конвертерні гази можуть служити джерелом вторинних енергоресурсів при утилізації фізичної і хімічної теплоти. Відсутність технічної можливості очищення від пилу високотемпературних газів, що відходять, обумовило поділ системи відводу газів на дві самостійних ділянки: ділянка охолодження і ділянка очищення.

7.1 Охолодження конвертерних газів

Для охолодження конвертерних газів використовуються різноманітні по конструкції і принципові дії котли-утилізатори, що одержали назву охолоджувачів конвертерних газів (ОКГ).

З огляду на те, що високотемпературні гази, що відходять, здатні випромінювати теплоту, у вітчизняній практиці всі охолоджувачі мають у своєму складі котли радіаційної дії, у яких газ охолоджується до температури 1000..900°С. Подальше охолодження може здійснюватися або з утилізацією теплоти в конвективних котлах, або шляхом подачі води безпосередньо в газовий потік.

Радіаційна частина ОКГ являє собою піднімальний газохід, внутрішня частина якого виконана з трубчастих екранних панелей. Вода, що циркулює в цих трубках, відбираючи теплоту, надходить у виді пароводяної суміші в бак-сепаратор. Всі ОКГ працюють із примусовою циркуляцією, що вимагає спорудження спеціальної насосної станції.

Котел-охолоджувач конвективної дії являє собою пакети труб, розташованих у визначеному порядку, по яких циркулює холодна вода. При просочуванні димових газів між трубками їхня температура знижується до 200..250°С. Розташовується такий охолоджувач, як правило, в опускному газоході.

Використання котлів конвективної дії, як показала їхня експлуатація, для охолодження надмірно запилених конвертерних газів малоефективно, тому що в процесі роботи вони швидко забиваються пилом.

Тому в сучасних ОКГ конвективна частина не застосовується. Необхідне подальше охолодження газів здійснюється шляхом прямої подачі води в похилу або опускну частину газоходу.

З огляду на те, що конвертерні гази містять високі концентрації оксиду вуглецю, застосовувані охолоджувачі і вся система відводу диму по газовому тракту повинні бути вибухобезпечними. Оксид вуглецю в суміші з повітрям є вибухонебезпечним в інтервалі його концентрацій 12,5..74,5%. Для забезпечення вибухобезпеки в основі систем відводу конвертерних газів можуть бути покладені два принципи:

1) зниження концентрації оксиду вуглецю за рахунок багаторазового його розведення;

2) відведення газів з високою концентрацією оксиду вуглецю (74,5%).

Це досягається різними способами, що відрізняються  коефіцієнтом надлишку повітря  на виході з охолоджувача:

• з доступом повітря і повним спалюванням газів (≥1);

• з доступом повітря, але с недопалюванням газів (1>≥0,75);

• з доступом повітря і з частковим спалюванням газів (0,75>>0,15);

• без доступу повітря і без опалювання газів (0,11>>0).

Відмінність способу з недопалу від способу з частковим опалюванням полягає в тому, що в першому випадку в тракті, що відводить газ, знаходиться неопалюваний газ, а в другому - газ вибухонебезпечний.

З огляду на високу токсичність і вибухонебезпечність газу, на практиці одержали найбільше поширення два способи відводу й охолодження конвертерних газів: з повним опалюванням оксиду вуглецю й утилізацією фізичної і хімічної теплоти в межах системи відводу газу; без спалювання оксиду вуглецю з утилізацією тільки фізичної теплоти газів, що відходять, у межах системи відводу.

При відводі газів з опалюванням оксиду вуглецю як охолоджувач конвертерних газів звичайно використовують комбіновані радіаційно-конвективні котли-утилізатори. При відводі газів без спалювання оксиду вуглецю як охолоджувач використовують тільки радіаційні котли-утилізатори з наступним упорскуванням води.

7.2 Відведення газів з повним опалюванням оксиду вуглецю

При відводі газів з повним опалюванням між конвертером і охолоджувачем завжди повинне підтримуватися розрядження, створюване димососом. Це забезпечує одночасне уловлювання конвертерних газів і підсмоктування повітря для їхнього спалювання з =1,2..1,4.

При горінні газу в порожнині котла, теплота, що виділяється використовується на нагрівання води або одержання пари.

Котел-охолоджувач у цьому випадку складається з двох газоходів: піднімального й опускного. У піднімальному газоході розташовується радіаційна частина, де відбувається повне згоряння оксиду вуглецю. В опускному газоході розташована конвективна частина котла. Нижня частина піднімального газоходу, називана кесоном, у залежності від способу ремонту конвертера (подача вогнетривів зверху або знизу) може бути стаціонарною або відкатною. Висота радіаційного газоходу повинна забезпечувати повне спалювання газів і їхнє охолодження до 900..1000°С. Нижче цих температур світність димового потоку різко знижується, а пил із пластичного стану переходить у тверде, що зменшує небезпеку шлакування конвективних поверхонь, розташованих в опускному газоході.

Слід зазначити, що горіння оксиду вуглецю протікає по периферії газового потоку і без спеціального перемішування закінчується звичайно на відстані, рівному приблизно десятьом умовним діаметрам газоходу. З метою зниження висоти вертикального газоходу для прискорення процесу горіння газовий потік перемішується за допомогою додаткової подачі стиснутого повітря ("гостре дуття") у кількості 20% від необхідного для повного спалювання. Повітря подається через спеціальні сопла, що розташовані в нижній частині охолоджувача.

В опускному газоході розташовані пакети труб, що представляють собою конвективну частину котла, через які просмоктуються димові гази, охолоджуючись до 200..300°С.

Однак радіаційно-конвективні котли, що забезпечують умови повної вибухобезпеки і максимального використання теплоти газів, що відходять, володіють рядом недоліків. Конвективна частина цих котлів піддається шлакуванню, що приводить до різкого підвищення опору котла і підвищеній витраті електроенергії для створення необхідного розрідження. Для очищення конвективної частини необхідні складні пристрої з використанням металевого дробу і зупинки роботи конвертера. Усі ці недоліки збільшуються при підвищенні інтенсивності продувки.

Розміри котла-охолоджувача розраховуються на максимальний вихід конвертерних газів. У період інтенсивного окислювання вуглецю кисень, що вдмухається в розплав, цілком витрачається на окислювання вуглецю, крім того, частина вуглецю буде окислятися за рахунок кисню, накопиченого шлаком. У таблиці 7.1 приведені розрахункові дані про кількість димових газів з урахуванням різних коефіцієнтів надлишку повітря, інтенсивності продувки і місткості конвертерів.

Таблиця 7.1-Кількість газів Q_г, минаючих через газовий тракт у період максимального видалення вуглецю

Ємність конвертору ер т оорр оооера, т	Qг  103, м3/час при інтенсивності продувки
	3 м3/(тхв)				5 м3/(тхв)				7 м3/(тхв)
	=0,1	=0,6	=1,2	=0,1		=0,6	=1,2	=0,1		=0,6	=1,2
100	39,0	80	119	77		133	206	108		186	328
200	92,6	160	247	154		265	412	216		371	577
300	140,0	239	371	232		298	618	324		557	865
400	185,0	318	494	309		531	824	432		734	1150

При відводі й охолодженні конвертерних газів з повним опалюванням (коефіцієнт надлишку повітря 1,2) кількість газів у тракті, що відводить газ, різко зростає, що вимагає значного збільшення габаритів системи котел - газоочистка, розмірів будинку й у цілому великих капіталовкладень. При цьому ріст котла-охолоджувача зв'язаний не тільки з його пропускною здатністю, але і з необхідністю досягнення заданих температур на виході з котла.

Тому в даний час система відводу й охолодження конвертерних газів з повним опалюванням оксиду вуглецю не застосовується.

7.3 Відведення газів без опалювання оксиду вуглецю.

При відведенні газу без його опалювання повинні бути створені умови вибухобезпечної роботи тракту, що відводить газ. Конструкція тракту, що відводить газ, повинна цілком виключити підсмоктування повітря і можливість розведення конвертерних газів киснем. Це необхідно для гарантії збереження концентрації оксиду вуглецю в конвертерних газах протягом усього тракту вище верхньої межі запалення (74,5%). Тому загальним принципом відводу газів без їх опалювання є обов'язкове зрівнювання кількості конвертерних газів, що проходять через весь тракт, включаючи газоочистку, з кількістю газів, що виходять з конвертера в процесі плавки.

В даний час у світовій практиці існує багато технологічних рішень відводу газів без опалювання оксиду вуглецю. Усі ці рішення можна розділити на три групи:

створення завіси з інертного газу, у якості якого звичайно використовують азот, між нижньою частиною каміна і конвертером;

забезпечення нульового тиску на вході в камін за рахунок регулювання тиску газу по системі тракту;

спорудження додаткового кільцевого колектора навколо каміна з індивідуальною системою відсмоктування й очищення, що призначений для створення повітряної завіси, що запобігає як вибивання газів у цех, так і влучення повітря в основний тракт, що відводить.

У вітчизняній практиці одержала поширення система відводу конвертерних газів з регулюванням тиску на вході в камін. Конструктивною особливістю цієї системи є наявність рухливої муфти ("спідниці"), розташованої в нижній частині каміна і призначеної для перекриття зазору між каміном і конвертером.

Діаметр муфти звичайно буває в 1,5..2 рази більше горловини конвертера. Муфта може опускатися нижче горловини на відстань до 1м і виконує функції буферної ємності, що гасить пульсації газового потоку, що виходить з конвертера. Тут же знаходяться датчики тиску, по імпульсі яких автоматично проводиться регулювання положення заслінки перед димососом або перетином горловини труб Вентурі, що забезпечує сталість тиску на вході в камін протягом усієї продувки.

Система відводу конвертерних газів працює в такий спосіб. Зазор між горловиною конвертора і кесоном ущільнюють за допомогою рухливої муфти. Для кращого утілення в зазор подають азот, а в районі отворів для фурми і телескопічних течок утворюють газову завісу. Весь газовідвідний тракт продувають азотом. Крім того, продуктивність димососу регулюють таким чином, щоб по ходу продувки підтримувався надмірний тиск конверторних газів в зазорі – біля 5 Па.

Весь тракт повинен бути газощільним. Так як, підсмоктування повітря не відбувається, і газ на виході з ОКГ складається із оксиду вуглецю, який після очищення можна використовувати в енергетичних цілях для потреби цеху.

Кількість конверторних газів в цьому випадку в кільки разів менша, ніж кількість продуктів їх опалювання, тому димовий тракт і газоочистка мають менші розміри, їх вартість і експлуатаційні витрати нижчі, ніж при відведенні газів з повним опалюванням оксиду вуглецю.

7.4 Відведення газів з частковим опалюванням оксиду вуглецю

Даний спосіб використовується при реконструкції діючих киснево-конвертерних цехів, обладнаних раніше системами відводу й охолодження конвертерних газів з повним опалюванням оксиду вуглецю, для збільшення їхньої продуктивності шляхом підвищення інтенсивності продувки. Застосування цього способу дозволяє зберегти габарити існуючих газових трактів, а, отже, і будинку. Необхідно провести лише порівняно невеликі роботи з його герметизації, зробити його автономним для кожного конвертера й установити свічі для опалювання оксиду вуглецю.

В основі цього способу лежить зниження надлишку повітря на вході в тракт, що відводить газ до значень 0,3<<0,6, що дозволяє, з одного боку, збільшити пропускну здатність тракту, з іншого боку, забезпечити опалювання на свічі вологих конвертерних газів, що містять 20..25% СО.

Для вибухобезпечної роботи тракту, що відводить газ, продуктивність димососа повинна бути розрахована так, щоб вона на 10..15% перевищувала максимальний обсяг газів, що виділяються з конвертера. Відвід газів проводиться при цілком відкритому зазорі між горловиною конвертера і каміном. У початковий період продувки, коли газів виділяється мало, через зазор підсмоктується значна кількість повітря, що забезпечує повне згоряння оксиду вуглецю. При цьому в тракті присутні кисень, вуглекислий газ і азот. В міру збільшення газовиділення кількість підсмоктуваємого повітря знижується. При =1 тракт, що відводить газ, промивається тампоном з інертних газів, що складаються з вуглекислого газу й азоту. Подальше збільшення газовиділення приводить до появи вільного оксиду вуглецю, концентрація якого поступово збільшується до 50..60%. В міру зниження до кінця продувки газовиділення всі процеси протікають у зворотному напрямку: у газах зменшується зміст оксиду вуглецю, тракт знову промивається тампоном з інертних газів, потім у складі газів з'являється вільний кисень.

Таким чином, утворення тампона з інертних газів на початку і кінці продувки перешкоджає змішуванню оксиду вуглецю з киснем і утворенню вибухонебезпечної суміші.

Недоліком такої системи є викид в атмосферу визначеної кількості оксиду вуглецю на початку і кінці продувки. Це зв'язано з тим, що при концентрації оксиду вуглецю в газі < 20%, останній не цілком опалюється на свічі через високу вологість газів.

Варто підкреслити, що на жаль, у вітчизняній практиці дотепер не одержала поширення утилізація охолоджуваних і очищених конвертерних газів як найцінніших вторинних енергоресурсів, здатних заощаджувати природний газ, мазут, вугілля і т.п.

7.5 Очищення конвертерних газів

Як уже відзначалося, у конвертерних газах на виході з конвертера зміст плавильного пилу може досягати 300 г/м³. Пил, що виноситься з конвертера, у залежності від способу охолодження конвертерних газів має різний хімічний і фракційний склад. При відводі газів з повним опалюванням у складі пилу переважають оксиди заліза у виді Fe₂О₃, при цьому вміст дрібнодисперсних фракцій (<10мкм) складає >12%, а вміст фракції крупністю 40мкм < 20%. (При відводі газів без опалювання в складі пилу переважають залізо у виді FеО і деяка кількість пирофорного заліза. Розміри часток пилу в цьому випадку збільшуються. Так, вміст фракції крупністю > 40мкм перевищує 30%, а фракції < 10мкм складає ~6%. Слід зазначити, що при відводі газів з повним опалюванням кількість пилу в газах перед очищенням значно менше внаслідок їхнього розведення, чим при відводі газів без опалювання, і відповідно складає 25..60 г/м³ у порівнянні з 300 г/м³.

Система газоочистки повинна забезпечувати зниження вмісту пилу незалежно від способу відводу й охолодження конвертерних газів, що викидаються в атмосферу, відповідно до вимог санітарних норм, як указувалося раніше, до 0,1 г/м³.

В даний час у світовій практиці існує велика розмаїтість систем і конструкцій газоочисних апаратів. Усі їх можна об'єднати в три великі групи по способах очищення: суху, мокру і електроочистку.

У вітчизняній практиці всі киснево-конвертерні цехи обладнані мокрими системами газоочистки, тому що вони вибухобезпечні, мають високий ступінь очищення і надійні в експлуатації.

В основі принципу роботи мокрих газоочисток лежить укрупнення часток пилу за рахунок зволоження і виведення їх з газового потоку шляхом багаторазової зміни напрямку і швидкості руху газів. Система мокрої газоочистки є багатоступінчастою і включає послідовно розташовані апарати, призначені для зниження температури газів до заданих меж (скрубери), апарати для очищення пилу (труби Вентурі) і апарати для відділення вологи (краплєуловлювачі різної конструкції). Основним елементом таких газоочисток є труби Вентурі, що призначені для збільшення швидкості газів, дроблення, перемішування води з газом, змочування часток пилу і їхньої коагуляції. У газоочисних апаратах використовуються, так називані малі труби Вентурі з круглим перетином горловини або великі труби Вентурі, що мають круглі або прямокутні перетини горловини.

Малі труби Вентурі оснащуються форсунками для розпилення води, витрата якої складає до 1 л/м³ газу. Газоочисний апарат у цьому випадку складається з блоку труб Вентурі, кількість яких визначається обсягом димових газів і коливається в залежності від діаметра горловини в межах від декількох десятків до декількох сотень. Основним недоліком використання апаратів з малими трубами Вентурі є зменшення перетину горловини за рахунок відкладень пилу і велика чутливість до якості води, дисперсності її розпилення і складності регулювання при зміні кількості газів.

При використанні великих труб Вентурі спрощується конструкція газоочисних апаратів. У цьому випадку число труб знижується до 1..3. У трубах, як правило, відсутні форсунки, а вода надходить по отворах, розташованим по периметрі горловини або просто переливається через стінки конфузора. Однак у цьому випадку для розпилення води необхідно мати більш високі швидкості газового потоку, що повинні досягати в горловині 120..180 м/с у порівнянні з 60..100 м/с для малих труб.

При відводі газів без опалювання газоочисні апарати повинні оснащуватися трубами Вентурі з регульованим перетином горловини. Регулювання розмірів горловини здійснюється за допомогою рухливого конуса або поворотних заслінок у залежності від кількості газів, що виходять з конвертера.

Як приклад на рисунку 7.1 приведена схема відводу, охолодження й очищення конвертерних газів з використанням регульованих великих труб Вентурі з прямокутним перетином горловини, а також з кільцевим регульованим зазором.

В обох випадках функції скрубера, що знижує температуру конвертерних газів перед входом у труби Вентурі, виконує похила або опускна частина газоходу, у якій температура газів знижується з 900..1000 до 200...400°С. Перша ступінь очищення здійснюється в низьконапірних трубах для порівняно грубого очищення газів. Друга ступінь представлена високонапірною трубою для тонкого очищення. Вологу відокремлюють у спеціальному краплєуловлювачі з лопатковими-завихрителями. Осушені гази за допомогою димососа-нагнітача надходять на свічу для спалювання.

Слід зазначити, що системи очищення газів із прямокутними регульованими трубами Вентурі доцільно застосовувати при інтенсивності продувки до 1200...1500 м³/хв. Зі збільшенням місткості конвертерів до 350.. .400 т і інтенсивності продувки до 2000 м³/хв. і більше, кількість газів, що відходять, зростає настільки, що застосування прямокутних регульованих труб важко. У цих умовах найбільш доцільно застосовувати труби Вентурі з регульованим кільцевим зазором. Крім того, ця система при високих інтенсивностях продувки відрізняється компактністю й економічністю в порівнянні із системою з прямокутними трубами.

1-конвертер; 2-радіаційний котел-охолоджувач; 3-зрошувальний газохід;

4-прямокутні труби Вентурі; 5-каплевідділювач; 6-нагнітач; 7-вимірювач кількості газу; 8-свіча; 9-круглі труби Вентурі.

Рисунок 7.1- Схема відводу і очищення конвертерних газів без