способ очистки отходящих газов рудно-термических печей и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ очистки отходящих газов рудно-термических печей, включающий процесс плавки, отвод отходящих газов через газоход и охлаждение газов, двухстадийную очистку газов от пыли и вредных примесей сначала в циклонах с возвратом уловленной пыли на процесс плавки, затем в металлотканевых фильтрах с регенерацией фильтра сжатым воздухом, отличающийся тем, что охлаждение газов осуществляют ступенчато в газоходах с помощью системы испарительного охлаждения, на первой ступени охлаждения отходящие газы одновременно очищают от примесей путем сжигания реакционных газов, а пыль, полученную после очистки на фильтре, подвергают дальнейшей переработке.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что ступенчатое охлаждение газов осуществляют в три стадии: первоначально до температуры ниже 1300^oС, на второй ступени до 700-800^oС и на третьей - выше 200^oС.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что первая и вторая ступени системы испарительного охлаждения замкнутым циклом связаны с барабаном-сепаратором, а на третью ступень подают насыщенный пар из барабана-сепаратора, перегревают и направляют потребителю.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжатый воздух, подаваемый на регенерацию фильтра, предварительно сушат.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сжатый воздух, подают в фильтр под давлением 0,4-4 МПа.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что фильтр перед началом работы предварительно прогревают до температуры 200-400^oС.

7. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сопротивление фильтра поддерживают в процессе очистки не более 3,5-4,5 кПа.

8. Способ по п. 1, отличающийся тем, что объемный расход сжатого воздуха в системе регенерации составляет не менее 125-200 м³/ч.

9. Способ по п. 1, отличающийся тем, что соотношение расхода природного газа и воздуха, подаваемого на стадию очистки отходящих газов сжиганием, составляет 1: 10.

10. Способ по п. 1, отличающийся тем, что пыль, получаемую в фильтрах, перерабатывают в расплавных хлораторах для получения технического тетрахлорида титана.

11. Устройство для очистки отходящих газов рудно-термических печей, включающее печь со сводом, на котором размещен газоход, циклоны и металлотканевые фильтры с устройством для регенерации фильтра сжатым воздухом, отличающееся тем, что газоход выполнен в виде ступеней, первая - нижняя - ступень выполнена в виде усеченной пирамиды, размещена усеченной частью на своде печи и снабжена установкой для дожига реакционных газов и установкой системы испарительного охлаждения, размещенной по периметру пирамиды и ее верхнему основанию, последующие ступени газохода по всей длине также снабжены установкой системы испарительного охлаждения, каждая ступень газохода с помощью труб для подвода воды и для отвода пара соединена с барабаном-сепаратором.

12. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что газоход выполнен из трех и более ступеней.

13. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что первая и вторая ступени газохода с помощью отводящих и подводящих труб соединены с барабаном-сепаратором, а третья - с барабаном-сепаратором и системой улавливания перегретого пара.

14. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что система испарительного охлаждения выполнена из кессона с полутрубами, соединенных с коллектором, причем в качестве кессона использованы стенки газохода.

15. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что установка для дожига реакционных газов выполнена в виде горелки для сжигания природного газа и форсунки для подачи воздуха.

16. Устройство по п. 11, отличающееся тем, что в качестве устройства для регенерации фильтра сжатым воздухом использована пневмоимпульсная установка.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к цветной металлургии, к способам и устройствам для переработки редкометаллического сырья в рудно-термических печах, в частности к способам и устройствам для очистки отходящих газов рудно-термических печей.

Известны способ и устройство для отвода тепла от конструктивных элементов рудно-термических печей (кн. Багров О.Н. Испарительное охлаждение печей в цветной металлургии. - М.: Металлургия, 1979, с. 10-17, 65-70, 126-130). Способ работы системы испарительного охлаждения предусматривает подключение кессона, размещенного на охлаждаемом элементе печи, с помощью двух труб к барабану-сепаратору. По одной трубе (опускной) вода из барабана подается в кессон, а по второй - пароводяная смесь, образовавшаяся в кессоне в процессе охлаждения, возвращается в барабан-сепаратор, где пар отделяется от воды и отводится по специальному паропроводу, а вода опускается в водяное пространство барабана. Убыль воды пополняется подпиткой барабана-сепаратора химически очищенной водой. Вода в системе циркулирует непрерывно либо естественным путем под влиянием разности удельных весов воды в отпускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе, либо принудительно - при помощи циркуляционного насоса. Пар с системы испарительного охлаждения печей возможно использовать для технологических нужд. Для этого используется химически очищенная вода, которая из барабана-сепаратора подается в систему испарительного охлаждения, а затем в виде насыщенного пара подается в выносной пароперегреватель для получения перегретого пара, который затем используется для технологических нужд.

Устройство включает охлаждаемые элементы печи, барабаны-сепараторы, коммуникации - паропроводы для отвода пара, трубы контура циркуляции, дренажные трубопроводы, предохранительные клапаны, автоматические регуляторы, КИП, установка для очистки воды. Барабан-сепаратор соединен с испарительным охлаждением элементов печи опускными трубами для подачи воды и подводящими трубами для отвода пароводяной смеси от охлаждаемого элемента печи. Кессон представляет собой панель из труб, сваренных одна с другой газоплотным швом. Концы труб с помощью патрубков соединены с двумя коллекторами.

Недостатком данного способа отвода тепла является то, что он не предусматривает охлаждение газоотводящего тракта, что не позволяет производить очистку газов от вредных включений и пыли.

Известен способ очистки газов от пыли (ст. Свойства газов и пыли при плавке титановых шлаков в закрытых руднотермических печах. - //Н.П.Козырь, А. Е. Чебанов, Б.П.Титомер/ Ж. Цветные металлы. - 1974, 11 - с.52-53) в тканевых фильтрах. В зависимости от состава исходной смеси количество отходящих газов колеблется от 700 до 1300 нм³/ч, температура газов 400-800^oС. Запыленность газа при работе печи в закрытом режиме колеблется от 6 до 60 г/нм³. Уловленную пыль можно вернуть в производство, пыль мелкодисперсная, не абразивная, легко слипается и хорошо улавливается в тканевых фильтрах и плохо - в электрофильтрах.

Недостатком данного способа является низкая степень очистки газов.

Известны способ и устройство для очистки отходящих газов рудно-термических печей, взятый за прототип (кн. Титан. - Петрунько А.Н., Галицкий Н.В. , Олесов Ю.Г., Сандлер Р.А. - М.: Металлургия. - 1983, с. 190-194, 200-207). Способ включает плавку титансодержащей руды совместно с восстановителем в рудно-термической печи с разделением продуктов плавки. При плавке в полузакрытом режиме часовая производительность печи по шлаку составляет 2,2 т, а расход электроэнергии на 1 т шлака снизился до 5,8 ГДж. Отходящие газы печей, работающих в полузакрытом режиме, содержащие около 30% углекислого газа удаляются принудительным путем с помощью вентиляторов горячего дутья. Давление газов в подсводовом пространстве поддерживают на уровне 1,2 Па, а температуру отходящих газов - на уровне 250^oС. Пыль, уносимая газами, частично улавливается в циклонах. Уловленную в циклонах пыль возвращают пневмотранспортом в процесс плавки. Коэффициент удаления пыли в циклонах типа СИОТ составляет 40-60%. Опыты по обеспыливанию содержащих около 12 г/м³ пыли газов руднотермических печей по выплавке титановых шлаков с помощью металлотканевых (металл - нержавеющая сталь) рукавных фильтров показали возможность улавливания и возврата в процесс около 98% пыли из отходящих газов этих печей.

Устройство для проведения процесса плавки в полузакрытом режиме состоит из ванны печи, закрытой герметичным сводом с водоохлаждаемым каркасом, на который укладывают плиты из жаропрочного бетона, в печи через телескопические трубки установлены электроды, для отсоса газов установлены дымососы.

Недостатком данного способа и устройства является низкая степень улавливания пыли и обезвреживания газов рудно-термических печей.

Задачей изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков, повышение степени очистки газов и улавливания пыли до 99,0-99,8%.

Данная задача решается тем, что в способе очистки отходящих газов рудно-термических печей, включающем процесс плавки, отвод отходящих газов через газоход и охлаждение газов, двухстадийную очистку газов от пыли и вредных примесей сначала в циклонах с возвратом уловленной пыли на процесс плавки, затем в металлотканевых фильтрах с регенерацией фильтра сжатым воздухом, новым является то, что охлаждение газов осуществляют ступенчато в газоходах с помощью системы испарительного охлаждения, на первой ступени охлаждения отходящие газы одновременно очищают от примесей путем сжигания реакционных газов, а пыль, полученную после очистки на фильтре, подвергают дальнейшей переработке.

Кроме того, ступенчатое охлаждение газов осуществляют в три стадии: первоначально до температуры ниже 1300^oС, на второй ступени до 700-800^oС и на третьей - выше 200^oС.

Кроме того, первая и вторая ступень системы испарительного охлаждения замкнутым циклом связана с барабаном-сепаратором, а на третью ступень подают насыщенный пар из барабана-сепаратора, перегревают и направляют потребителю.

Кроме того, сжатый воздух, подаваемый на регенерацию фильтра, предварительно сушат.

Кроме того, сжатый воздух подают в фильтр под давлением 0,4-4 МПа.

Кроме того, фильтр перед началом работы предварительно прогревают до температуры 200-400^oС.

Кроме того, сопротивление фильтра поддерживают в процессе очистки не более 3,5-4,5 кПа.

Кроме того, объемный расход сжатого воздуха в системе регенерации составляет не менее 125-200 м³/ч.

Кроме того, соотношение расхода природного газа и воздуха, подаваемого на стадию очистки отходящих газов сжиганием, составляет 1:10.

Кроме того, пыль, получаемую в фильтрах, перерабатывают в расплавных хлораторах для получения технического тетрахлорида титана.

Для осуществления способа предложено устройство для очистки отходящих газов рудно-термических печей, включающее печь со сводом, на котором размещен газоход, циклоны и металлотканевые фильтры с устройством для регенерации фильтра сжатым воздухом, в котором новым является то, что газоход выполнен в виде ступеней, первая - нижняя ступень выполнена в виде усеченной пирамиды, размещена усеченной частью на своде печи и снабжена установкой для дожига реакционных газов и установкой системы испарительного охлаждения, размещенной по периметру пирамиды и ее верхнему основанию, дальнейшие ступени газохода по всей длине также снабжены установкой системы испарительного охлаждения, каждая ступень газохода с помощью труб для подвода воды и для отвода пара соединена с барабаном-сепаратором.

Кроме того, газоход выполнен из трех и более ступеней.

Кроме того, первая и вторая ступени газохода с помощью отводящих и подводящих труб соединены с барабаном-сепаратором, а третья - с барабаном-сепаратором и системой утилизации перегретого пара.

Кроме того, система испарительного охлаждения выполнена из кессона с полутрубами, соединенных с коллектором, причем в качестве кессона использованы стенки газохода.

Кроме того, установка для дожига газов выполнена в виде горелки для сжигания природного газа и форсунки для подачи воздуха.

Кроме того, в качестве устройства для регенерации фильтра сжатым воздухом использована пневмоимпульсная установка.

Ступенчатое охлаждение отходящих газов рудно-термической печи с помощью системы испарительного охлаждения и выполнение каждой ступени газохода определенной формы позволяет постепенно снижать температуру газов в газоходе и тем самым повысить степень извлечения пылевидных отходов.

Размещение установки для сжигания газов на первой ступени охлаждения позволяет сразу обезвреживать отходящие газы с постепенным охлаждением и последующей очисткой.

Возвращение пыли из металлотканевых фильтров позволяет утилизировать пыль и снизить загрязнение окружающей среды.

Заявленная группа изобретений соответствует требованию единства изобретения, поскольку группа разнообъектных изобретений образует единый изобретательский замысел, причем один из заявленных объектов группы - устройство для очистки отходящих газов предназначено для осуществления другого объекта - способа очистки отходящих газов, при этом оба объекта группы изобретений направлены на решение одной и той же задачи с получением единого технического результата.

Проведенный заявителем анализ уровня техники, включающий поиск по патентным и научно-техническим источникам информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявленной группы изобретений как для объекта - способа, так и для объекта - устройства, позволило установить, что заявитель не обнаружил аналоги как для способа, так и для устройства заявленной группы, характеризующейся признаками, тождественными (идентичными) всем существенным признакам как способа, так и устройства заявленной группы изобретений. Определение из перечня выявленных аналогов-прототипов как для способа, так и устройства - как наиболее близких по совокупности признаков аналогов, позволило выявить совокупность существенных по отношению к усматриваемому заявителем техническому результату отличительных признаков для каждого из заявленных объектов группы, изложенных в формуле изобретения. Следовательно, каждый из объектов группы изобретений соответствует условию "новизна".

Для проверки соответствия каждого объекта заявленной группы изобретений условию "изобретательский уровень" заявитель провел дополнительный поиск известных решений с целью выявить признаки, совпадающие с отличительными от выбранных прототипов признаками для каждого объекта заявленной группы изобретений. Результаты поиска показали, что каждый объект заявленной группы изобретений не вытекает для специалиста явным образом из известного уровня техники, поскольку из уровня техники, определенного заявителем, не выявлено влияние предусматриваемых существенными признаками каждого из объектов заявленной группы изобретений преобразований на достижение технического результата. Следовательно, каждый из объектов заявленной группы соответствует условию "изобретательский уровень". Что касается части устройства для резки блока- устройства для перемещения стола - то заявлена новая взаимосвязь известных конструктивных элементов между собой, что оказывает улучшение технического результата - скорости резки блока тугоплавкого металла - и, следовательно, соответствует условию "изобретательский уровень".

На фиг. 1 показана установка для очистки отходящих газов рудно-термических печей, на фиг.2, 3 - кессоны системы испарительного охлаждения газов, установленные на ступенях газохода. Установка для очистки газов выполнена в виде печи, состоящей из ванны 1, водоохлаждаемого свода 2, электродов 3; газохода, выполненного из 3 ступеней: нижней ступени - шахты 4, выполненной в виде усеченной пирамиды, средней - вертикальной ступени 5 и верхней - наклонной ступени 6; установки 7 для дожига отходящих газов, выполненной в виде горелки 8 для сжигания природного газа, и фурмы 9 для подачи воздуха; установки для охлаждения нижней ступени - шахты газохода и вертикального и наклонного газоходов, выполненной в виде кессона 9, на котором приварены полутрубы 10, соединенные с коллекторами 11; барабана-сепаратора 12, соединенного с кессонами с помощью трубопровода 13 для подачи воды к кессонам и паропровода 14 для подвода пароводяной смеси к барабану-сепаратору; питательных насосов 15; установки для очистки воды 16; циклонов 17 для очистки отходящих газов на первой стадии; фильтра тонкой очистки газов 18; установки для сушки сжатого воздуха - 19 и пневмоимпульсной камеры фильтра 20.

Пример осуществления способа очистки отходящих газов рудно-термических печей и работы устройства.

Обогащение титансодержащих концентратов происходит путем избирательного восстановления основной примеси - оксидов железа - и получения титанового шлака, который идет на дальнейшую переработку для получения губчатого титана. Температура процесса восстановления 1800100^oС. Восстановительная плавка в руднотермических печах титансодержащего сырья осуществляется периодическим процессом в полузакрытом режиме работы печи. Ванна 1 печи укрыта водоохлаждаемым сводом 2. После выхода на полную токовую нагрузку на электродах 3 при расходе электроэнергии из расчета 800-1300 кВт/ч на тонну загруженной в печь шихты осуществляют подгрузку восстановителя в печь и затем слив шлака и чугуна из печи. В процессе восстановительной плавки образуются колошниковые газы в количестве (объемный расход) 15000 м³/ч. Запыленность отходящих газов составляет от 6 до 60 г/м³. В газах содержится, %: СО 0,2-0,6, СО₂ 0,2-0,6, О₂ 11,2, Н₂ 16,5, вода 0,6, окислы азота - остальное. Химический состав пыли до циклонов, мас. %: TiО₂ 57,7; FeO 22,1; СаО 0,2; МgО 2,2; SiО₂ 9,1; МnО₂ 1,1; Сr₂O₃ 3,6; Аl₂O₃ 2,7; V₂O₅ 0,29. Плотность пыли составляет 3,5 г/см³, размер частиц 1-25 мкм, пыль неабразивна. Отходящие газы удаляются из печи принудительной тягой с помощью вентиляторов горячего дутья через систему газоходов, работающих на принудительном охлаждении с помощью системы испарительного охлаждения. Ступенчатое охлаждение газов осуществляют в три стадии: первоначально до температуры ниже 1300^oС, на второй ступени до 700-800^oС и на третьей - выше 200^oС.

Газоход выполнен из 3 ступеней. Нижняя ступень 4 газохода выполнена в виде шахты в форме усеченной четырехгранной пирамиды из листового железа, установленной усеченной частью на свод печи 2 и закрытой сверху крышкой-основанием пирамиды. По периметру и основанию пирамиды (фиг.2) приварены полутрубы 10 диаметром 895 мм с шагом 100-150 мм, соединенные с коллектором 11 и составляющие в общем виде кессон 9. Шахта состоит из 13 секций (одна - потолочная). Газы удаляются с помощью насоса газохода ВВДН-17 производительностью 39500 м³/ч, полное давление 7450 Па, мощность электродвигателя - 315 кВт. На шахту газохода установлены средняя ступень -вертикальный газоход 5 и верхняя ступень - наклонный газоход 6. Вертикальная часть газохода (фиг. 3) выполнена из трубы диаметром 92014 мм, на которую приварены стальные полутрубы 10 диаметром 895 мм на всю длину газохода с шагом 106 мм и соединены с коллектором 11, которые в общем виде образуют кессон 9. Наклонная часть выполнена из трубы диаметром 92014 мм, на которую наварены стальные полутрубы 10 диаметром 895 мм. Наклонный газоход может служить для получения перегретого пара. Для чего насыщенный пар из барабана-сепаратора 12 подают в кессон наклонного газохода, где пар перегревают и направляют потребителю.

Котловая вода из барабана-сепаратора 12 по магистральным трубопроводам 13, разветвляясь на 2 потока, поступает в полутрубы ступеней газохода. Вода поступает к нижней секции первой ступени - к шахте 4 газохода. Образующаяся пароводяная смесь выходит из полутруб и по паропроводам 14 поступает снова в барабан-сепаратор 12. Температура насыщенного пара 170^oС. Давление пара в барабане-сепараторе 6,0 кгс/см². Расходы воды 4-9 м³/ч. Температура перегретого пара 225^oС.

В барабане-сепараторе 12 пароводяная смесь разделяется на пар и воду. Размеры барабана-сепаратора: длина 6,0 м, диаметр 1,4 м, давление пара не более 0,6 МПа, температура пара 170^oС. Вода поступает обратно на охлаждение элементов печи, а насыщенный пар через паропровод 14 идет на охлаждение отходящих газов в межтрубное пространство третьей ступени газохода - в наклонный газоход 6. Насыщенный пар, проходя все секции наклонного газохода 6, отбирает тепло отходящих газов и перегревается. Перегретый пар поступает в РДУ установки и далее к потребителю пара.

Установка испарительного охлаждения работает за счет естественной циркуляции, которая осуществляется за счет разных удельных весов воды в отпускных коллекторах и пароводяной смеси в подъемных коллекторах. Для улучшения работы системы испарительного охлаждения предусмотрена очистка воды от растворенного кислорода и свободной углекислоты, вызывающих коррозию поверхностей нагрева и трубопроводов. Химические показатели воды должны быть: жесткость не более 15 мкг-экв/кг, растворенные кислород не более 50 мкг/кг, свободная углекислота - отсутствует, содержание масла - не более 3,0 мг/кг. Очистка воды осуществляется на установке для очистки воды 16. Вода насосами 15 подается в водоводяной подогреватель. Подогретая вода поступает на 2 механических фильтра марки МФ-1, МФ-2 тип ФОВ-1,4-0,6, затем на два натрий-катионитовых фильтра, работающих по двухступенчатой схеме для умягчения воды. Фильтрование воды происходит под воздействием разности давлений над и под фильтрующим слоем кварцевого песка или измельченного антрацита. В натрий-катионитовых фильтрах происходят ионно-обменные процессы замены ионов кальция на ионы натрия и вода становится мягкой. Массовая концентрация пыли, приведенная к нормальным условиям, до циклонов не более 60 г/м³, после циклонов - не более 10 г/м³.

Отходящие газы сжигают с целью очистки от двуокиси углерода на 1 ступени охлаждения газов в установке 7, установленной на шахте газохода, состоящей из горелки 8 и форсунки 9 для подачи воздуха. Объемный расход природного газа до 40 м³/ч, номинальный объемный расход воздуха - до 400 м³/ч, соотношение расхода природного газа и воздуха, подаваемого на стадию очистки отходящих газов сжиганием, составляет 1:10. Воздух подается в форсунку 9 с помощью вентилятора производительностью 12-13 м³/ч. Давление природного газа поддерживают до 6 кПа, давление воздуха и природного газа перед горелкой - 0,04-2,5 кПа, температура горения природного газа - до 1300^oС. После сжигания состав газов следующий, об.% СO₂ 0,00-22,2; O₂ 2-12, СО - отсутствует.

Охлажденные до температуры 200-400^oС запыленные газы из наклонной ступени 6 газохода поступают в циклоны 17 типа СЦН-40 на первую стадию газоочистки. Уловленная пыль из циклонов 17 возвращается обратно в шахту печи 1. Состав пыли после циклонов следующий, маc.%: ТiO₂ 35,7, FeO 28,1; CaO 1,0; МgО 3,6, SiO₂ 8,2; MnO₂ 2,3; Сr₂O₃ 1,2; Аl₂О₃ 2,1; V₂O₅ 0,27. Затем отходящие газы поступают сверху в секции металлотканевого фильтра 18 типа ФМК-950. Фильтр перед началом работы предварительно прогревают до температуры 200-400^oС.

При прохождении газов через металлическую сетку карманов происходит вторичная очистка газов от пыли. Осевшая пыль на металлической сетке встряхивается сжатым воздухом, предварительно осушенным в установке для осушки 19, в пневмоимпульсных камерах 20. Сжатый воздух подают в фильтр под давлением 0,4-4 МПа, объемный расход сжатого воздуха в системе регенерации составляет не менее 125-200 м³/ч.

Фильтр металлотканевый состоит из корпуса с бункерами для пыли, карманных блоков, снабженный фильтровальной тканевой сеткой из нержавеющей стали, снаружи корпуса размещены 4 пневмоимпульсные камеры, патрубки для запыленного газа и патрубки для отвода очищенного газа. Количество фильтровальных карманов - 312.

Далее очищенный газ при помощи вентилятора ВВДН-17 через вертикальный газоход-трубу выбрасывается в атмосферу. Уловленная пыль накапливается в бункерах и подается на стадию хлорирования титановых шлаков или перевозится в место временного хранения. Химический и гранулометрический состав пыли прямо зависит от изменения в химическом и фракционном составе титансодержащих концентратов и восстановителя - угля.

Данная схема очистки позволяет уловить 99,0-99,8% пыли и полностью обезвредить газы от вредного компонента - оксида углерода и реакционных газов.