способ улавливания паров металлов и их соединений из отходящих газов металлургических агрегатов

Формула изобретения

Способ улавливания паров металлов и их соединений из отходящих газов металлургических агрегатов, включающий контактирование отходящих газов в газоходе с охлаждающей средой, отличающийся тем, что в качестве охлаждающей среды используют твердые частицы, имеющие температуру ниже температуры десублимации улавливаемых паров, которые вводят в верхнюю часть газохода в месте, где температура отходящих газов выше критической температуры десублимации улавливаемых паров и под действием силы тяжести пропускают их через поток отходящих газов для десублимации на них улавливаемых паров с последующим собиранием частиц в нижней части газохода, охлаждением и повторным введением в газоход, при этом размер твердых частиц выбирают из условия, что расчетная скорость взвешенного состояния частиц больше скорости потока отходящих газов в газоходе в месте ввода частиц.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к очистке отходящих газов высокотемпературных металлургических агрегатов, таких как плавильные, обжиговые печи, конверторы и т. п. , а именно к процессам разделения парогазовых смесей, которые содержат пары как черных, так и цветных металлов, их оксидов или сульфидов.

Из уровня техники известны способы отделения и обработки металлосодержащих паров с целью защиты окружающей среды и извлечения полезных парообразных продуктов.

Известны "Способ и установка для обработки дымов металлургических производств" (заявка Франции 2438495, кл. В 01 D 49/00, 51/00; С 01 В 3/04; С 21 С 5/38, опубл. 1980) [1].

Согласно способу по этому изобретению обрабатывается дым, содержащий твердые частицы и пары железа, а также пары цветных металлов, таких как цинк и свинец.

При этом вначале при высокой температуре отделяются находящиеся в пылевидном состоянии твердые частицы железа и его оксидов.

Затем дымовую смесь охлаждают до температуры, ниже критической температуры конденсации содержащихся в виде пара цветных металлов. При этом пары цветных металлов, находящиеся в газах, десублимируются. Полученные при этом твердые частицы цветных металлов отделяются от дыма на последующей стадии.

Таким образом, сущность известного способа состоит в переводе паров металлов в твердую фазу за счет десублимации при охлаждении дыма через стенку за счет жидкой текучей среды.

Данный способ реализуется таким образом, что очистка дыма, содержащего твердые частицы и пары металлов, производится сначала в сепараторе с отделением относительно крупных твердых частиц, а затем оставшаяся газовая смесь охлаждается в теплообменнике через его стенку, охлаждаемую текучей жидкой средой.

Недостатком этого процесса является образование при десублимации паров большого количества аэрозолей ультратонкодисперсных твердых частиц десублимата, на сегодняшний день не поддающихся улавливанию в промышленных условиях, и, как следствие, низкая степень улавливания паров и, следовательно, высокая степень загрязнения окружающей среды.

Следует указать, что в известном способе причиной образования аэрозолей являются такие термодинамические условия, которые создаются в данном процессе при нерегулируемой относительно низкой интенсивности отвода тепла через стенку.

В этом случае не может быть полной десублимации (конденсации) паров металлов на относительно мелких твердых частицах, оставшихся в дыме после сепарации относительно крупных частиц, т.к. при конденсации выделяется большое количество тепла, за счет которого температура поверхности частиц твердой фазы повышается до температуры, превышающей критическую температуру десублимации паров металла.

Именно это повышение температуры поверхности частиц твердой фазы является барьером для полного осаждения паров металла на этих частицах. Оставшаяся часть паров вынуждена десублимировать на крупных молекулах газов с образованием аэрозолей.

Наиболее близким к заявляемому решению является способ по изобретению "Способ и установка для конденсации паров цинка" (заявка ФРГ 3619219, кл. С 22 В 5/16, опубл. 1986) [2].

В этом способе очищаемый газ принудительно пропускают через пленку жидкого охлаждающего металла (например, свинца), перекрывающего практически полностью поперечное сечение газохода.

При этом пары цинка конденсируются и растворяются в жидкой пленке свинца, имеющего температуру ниже, чем у очищаемого дыма. В последующем цинк извлекается из жидкого свинца. Поверхность контакта очищаемого газа с охлаждаемой средой - жидкостью в этом случае будет выше, чем через стенку теплообменника, как в описанном выше процессе, теплоотвод лучше, аэрозолеобразование меньше.

Однако полностью предотвратить образование аэрозолей в этом известном процессе не удается, т.к. при контактировании газа с жидкостью неизбежно часть газа в виде пузырей проходит через жидкую пленку и подвергается далее описанному выше процессу аэрозолеобразования.

Технический результат настоящего изобретения - повышение степени очистки отходящих газов от содержащихся в них паров металлов как полезных продуктов и защита окружающей среды.

Технический результат достигается тем, что в способе улавливания паров металлов и их соединений из отходящих газов металлургических агрегатов, включающем контактирование отходящих газов в газоходе с охлаждающей средой, в качестве охлаждающей среды используют твердые частицы, имеющие температуру ниже температуры десублимации улавливаемых паров, которые вводят в верхнюю часть газохода в месте, где температура отходящих газов выше критической температуры десублимации улавливаемых паров, и под действием силы тяжести пропускают их через поток отходящих газов для десублимации на них улавливаемых паров с последующим собиранием частиц в нижней части газохода, охлаждением и повторным введением в газоход, при этом размер твердых частиц выбирают из условия, что расчетная скорость взвешенного состояния частиц больше скорости потока отходящих газов в газоходе в месте ввода частиц.

Сущность предлагаемого способа состоит в переводе паров металлов в твердую фазу за счет десублимации при охлаждении отходящего газа, который в газоходе приводят в прямой контакт с охлаждающими твердыми частицами, вводимыми в газоход при определенных условиях.

Соблюдение условия по выбору размера частиц позволяет добиться того, что введенные в газоход частицы не уносятся с потоком газа, а "просыпаются" через поток.

Таким образом, в сравнении с вышеописанными известными процессами в заявляемом способе контакт очищаемого газа производят не со стенкой теплообменника, как в в процессе [1], и не с жидким металлом, как в процессе [2], а непосредственно с подвижной, развитой поверхностью, которую образуют относительно холодные, крупные, обновляющиеся твердые частицы, проходящие под действием силы тяжести сверху вниз через поток отходящих газов от верхней до нижней части газохода.

При этом прямой контакт очищаемого газа с охлаждающими твердыми частицами происходит в том месте газохода, где температура отходящего газа выше критической температуры десублимации отделяемых паров металлов.

При соблюдении этого условия пары металлов десублимируют (конденсируются) на поверхности охлаждающих частиц. За счет тепла, выделяющегося при десублимации моля пара металла, температура поверхности твердой крупной частицы повышается, но остается ниже критической температуры десублимации, что позволяет на этой же частице десублимироваться следующему молю пара металла.

При этом десублимация пара металла на твердых частицах, явяляющихся частью отходящих газов, не происходит, т.к. они (частицы) нагреты до температуры газа, а последняя выше критической температуры десублимации пара металла.

В результате пары металла десублимируются именно на введенных в газоход охлаждающих твердых частицах и не конденсируются на твердых частицах, выносимых из металлургического агрегата с отходящими газами.

Это позволяет полностью десублимировать пары металла именно на введенных частицах, а следовательно, предотвратить образование аэрозолей. Это новый технический результат, позволяющий достигать полное улавливание паров металла и уменьшение вредных выбросов в окружающую среду.

На чертеже представлена принципиальная схема предлагаемого способа. Поток газов А, отходящих из металлургического агрегата, содержит нагретые твердые частицы В и пары металла С. В газоходе в поток газов вводят охлаждающие твердые частицы D, на которых происходит десублимация паров металла С.

Подогретые в результате контакта с горячим газом крупные твердые частицы D с десублиматом металла С" охлаждают и снова подают на ввод в газоход, организуя рециркуляцию крупных твердых частиц со слоем десублимата (D+С").

После многократной циркуляции крупные частицы с оптимальным слоем десублимата (D+C")" выводят из цикла и направляют на переработку для извлечения десублимата С". Оставшаяся часть газа А с содержащимися в нем частицами В после санитарной очистки до уровня, определяемого соответствующими нормативами, выбрасывается в атмосферу.

ПРИМЕР 1. Обрабатывают железную руду, которая содержит 40-50 г/т германия в виде микропримеси. При восстановительном обжиге такой руды при оптимальных параметрах обжига происходит возгонка монооксида германия. В газах, отходящих из обжигового агрегата (вращающаяся печь), содержатся твердые рудные частицы и пары монооксида германия.

Согласно предлагаемому способу в верхнюю часть газохода, в том месте, где температура отходящих газов выше критической температуры десублимации паров монооксида германия (для реальных условий отходящего газа в данном процессе эта температура может быть 500-800^oС, а скорость отходящего газа ориентировочно 10 м/с), вводят твердые частицы триоксида алюминия размером 2-5 мм. Расчетная скорость взвешенного состояния этих частиц составляет 14,7-27,5 м/с, что превышает скорость отходящих газов в газоходе. Это означает, что введенные в газоход частицы не будут уноситьcя потоком газов, а будут "просыпаться" через него.

Затем эти частицы собирают в нижней части газохода, охлаждают, например, во вращающемся барабанном охладителе с охлаждением через стенку, с поливом водой снаружи корпуса охладителя. Охлажденные (до температуры, например, 100-200^oС) твердые частицы с микрослоем десублимата монооксида германия снова направляют на ввод в верхнюю часть газохода.

После многократной циркуляции твердых частиц на них нарастает макрослой десублимата монооксида германия. После чего эти твердые частицы с макрослоем десублимата монооксида германия выводят из цикла и направляют на переработку для извлечения монооксида германия известным способом. А вместо частиц, выведенных из цикла, вводят новую порцию твердых частиц триоксида алюминия.

Такой способ был опробован заявителем на опытной установке. Степень улавливания монооксида германия составила около 95%, тогда как при использовании другого известного способа - охлаждения газов с парами монооксида германия через стенку, степень улавливания была низкой - около 10%, т.к. при такой десублимации образовывались аэрозоли монооксида германия, которые затем не удавалось сепарировать из потока газов.

ПРИМЕР 2. При плавке алюминиевых чушек в плавильной печи около 10-15% алюминия возгоняется в виде паров алюминия отводится из плавильной печи с газами и практически сбрасывается в атмосферу, загрязняя окружающую среду.

Аналогично примеру 1 согласно предлагаемому способу в верхнюю часть газохода, в том месте, где температура отходящих газов выше критической температуры десублимации паров алюминия ( это может быть 700-900^oС, а скорость отходящего газа ориентировочно 5 м/с ), вводят твердые частицы - алюминиевую крупку размером 1-2 мм. Расчетная скорость взвешенного состояния этих частиц составляет 8,2 - 11,0 м/с, что превышает скорость отходящих газов в газоходе. После пропускания частиц через поток отходящих газов их собирают в нижней части газохода и охлаждают в аппарате кипящего слоя с продувкой воздухом. Охлажденные (до температуры, например, 100-200^oС) твердые частицы с микрослоем десублимата алюминия снова направляют на ввод в верхнюю часть газохода.

После многократной циркуляции твердых частиц на них нарастает макрослой десублимата алюминия. После чего эти твердые частицы с макрослоем десублимата алюминия выводят из цикла и направляют непосредственно в плавильную печь. Благодаря этому существенно уменьшаются потери алюминия при плавке.

ПРИМЕР 3. При обжиге молибденита, содержащего микропримесь рения в виде сернистого соединения, в обжиговой печи происходит окисление сернистого рения до семиоксида рения и возгонка последнего.

Аналогично примерам 1,2 согласно предлагаемому способу в верхнюю часть газохода, в том месте, где температура отходящих газов выше критической температуры десублимации паров семиоксида рения (это может быть 200-300^oС, а скорость отходящих газов ориентировочно 10 м/с), вводят твердые частицы песка (кремнезема) крупностью 2-3 мм. Расчетная скорость взвешенного состояния этих частиц составляет 12,5-16,3 м/с, что превышает скорость отходящих газов в газоходе.

После пропускания частиц через поток отходящих газов их собирают в нижней части газохода и охлаждают во вращающемся барабанном охладителе с охлаждением через стенку, с поливом водой снаружи корпуса охладителя. Охлажденные (до температуры, например, 50-80^oС) твердые частицы с микрослоем десублимата семиоксида рения снова направляют на ввод в верхнюю часть газохода.

После многократной циркуляции твердых частиц на них нарастает макрослой десублимата семиоксида рения. После чего эти твердые частицы с макрослоем десублимата семиоксида рения выводят из цикла и направляют на переработку для извлечения семиоксида рения известным способом. Вместо частиц, выведенных из цикла, вводят новую порцию песка.

ПРИМЕР 4. При конвертировании медьсодержащих материалов возгоняется металлический цинк, который в виде паров отводится из конвертора с конверторными газами.

Аналогично вышеприведенным примерам согласно предлагаемому способу в верхнюю часть газохода, в том месте, где температура отходящих газов выше критической температуры десублимации паров цинка (это может быть 400-600^oС, а скорость отходящих газов ориентировочно 20 м/с), вводят твердые частицы - железную дробь размером 5,0-8,0 мм. Расчетная скорость взвешенного состояния этих частиц составляет 42,8-65,0 м/с, что превышает скорость отходящих газов в газоходе.

После пропускания частиц через поток отходящих газов их собирают в нижней части газохода и охлаждают в шахтном охладителе с продувкой воздухом. Охлажденные (до температуры, например, 100-120^oС) твердые частицы с микрослоем цинка снова направляют на ввод в верхнюю часть газохода.

После многократной циркуляции железную дробь с макрослоем десублимата цинка выводят из цикла и направляют на переработку для извлечения цинка известным способом. Вместо частиц, выведенных из цикла, вводят новую порцию железной дроби.

Предлагаемый способ может использоваться для улавливания из газов паров различных металлов, таких как цинк, свинец, медь, алюминий, мышьяк, кадмий, индий и др., паров оксидов металлов (германия, рения, галлия, селена и др.), паров сульфидов металлов (германия, молибдена и др.) и прочих парообразных соединений металлов.