Noi Perspective în Purificarea Gazelor de Furnal

Abordări curente

De regulă, sistemele de purificare pentru gazele de furnal din industria metalurgică feroasă din Rusia cuprind: (Fig. 1) un ciclon radial 1, pentru purificarea uscată primară (îndepărtarea particulelor grosiere în domeniul 80-100 μm), care reţine 25-40% din praful antrenat din furnal; un scrubber 2 cu admisie de gaze prin blaz în care se realizează îndepărtarea prafului semifin (sub 25 μm), până la un nivel de 0.5-1.0 g/Nm3, urmată de răcirea gazelor la 40-45oC; tuburi venturi cu separatoare de apă 3, pentru îndepărtarea parţială (la diferenţă de presiune de 3-5 kPa) a prafului fin, până la un nivel de 50-150 mg/Nm3, sau până la concentraţia finală standard (la o diferenţă de presiune de 20 kPa), până la un nivel de 4 mg/Nm3, însoţită de răcire cu 4-5oC; grupul de reglare a presiunii prin irigare cu apă 4, cu separatorul de apă 5, care reglează presiunea la duza de alimentare şi contribuie la îndepărtarea finală a prafului (până la <4 mg/Nm3); precum şi un separator de picături 6, care reţine picăturile de apă.

Turbina de detentă a gazelor 7 permite utilizarea energiei mecanice şi termice în exces a gazelor de furnal sub presiune pentru a genera energie electrică (fără utilizare de combustibil). În unele furnale, cum ar fi furnalul 4 de la OAO NTMK, cicloane radiale şi tangenţiale înseriate permit realizarea desprăfuirii primare cu eficienţă de 80%. La alte furnale, în special în cazul celor mici, se utilizează un sistem simplificat, constând dintr-un ciclon radial, un scrubber, un grup de valve de laminare şi un separator de picături.

Conform cercetărilor, sistemele de purificare existente sunt greoaie, necesită mult echipament şi nu ating parametrii de gaz impuşi de îmbunătăţirile aduse furnalelor, după cum se poate observa din datele privind sistemele de purificare ale tuturor furnalelor de la OAO NLMK.

Debitul obţinut de gaz pentru toate furnalele, cu excepţia furnalului 6, este cu 12-32% mai mic decât capacitatea proiectată; toate furnalele operează la o presiune de alimentare cu 20-40% mai scăzută decât prevăzută în proiectare. Prin urmare, în ciuda creşterii conţinutului de metal între ventilator şi grupul de laminare, există potenţial pentru creşterea productivităţi furnalului, scăderea consumului de cocs şi compensarea parţială a consumului de energie din cuptor prin intermediul turbinei de detentă. Temperatura gazelor este de 2.2-2.7 ori mai mică decât valoarea prevăzută; consumul de apă recirculată pentru răcirea şi purificarea gazului de furnal este redus cu 37-45%, dar scăderea echivalentă în debitul de apă nu este posibilă din cauza perspectivei scăderii densităţii irigării şi posibila colmatare a scrubberelor mari. Conţinutul de praf al gazului după tubul venturi (înainte de grupul de laminare), cu o diferenţă de între 500 (furnelele 3-5) şi 1200 (furnal 6) mm coloană de apă este de 200-40 mg/m3; temperatura gazelor este 27-40oC. Acest gaz nu poate fi alimentat în turbină pentru că ar înfunda canalele cu praf şi aceasta ar putea îngheţa datorită răcirii rapide a gazelor pe baza detentei adiabate. Grupul de laminare are rolul de a regla presiunea gazului la alimentare şi este irigat cu apă. Ca beneficiu secundar, acesta asigură şi îndepărtarea prafului fin, până la un nivel de <4mg/Nm3 (urme); în acest proces, gazul este saturat cu vapori de apă (100% la temperatura dată) şi trebuie răcit (conform standardelor) la 40oC sau mai puţin.

Practic toate sistemele de desprăfuire din industria din Rusia şi din statele foste comuniste prezintă aceeaşi configuraţie.

Fig. 1. Sistem existent de purificare a gazelor de furnal (1-7 conform textului)

Ciclonul radial

Gazul cu praf intră în ciclon cu o viteză de 10-12 m/s (Fig. 1) din partea superioară, de-a lungul unei axe verticale, printr-un tub ce se lărgeşte spre bază. Gazul efectuează o rotaţie de 180o (viteza scăzând la 0.6-1.0 m/s) şi iese prin vârf printr-un racord la nivelul (sau sub nivelul) capacului ciclonului. În timp ce gazul efectuează rotaţia de 180o, 30-40% din fracţile de praf mai grele şi mai mari (peste 80% din particule au diametrul mai mare de 100 μm) se depune în ciclon, sub acţiunea forţelor gravitaţionale şi inerţiale [1, pp 111-113, 138-149]. Eficienţa scăzută a ciclonului poate fi explicată prin faptul că, dacă viteza gazului descendent nu depăşeşte 12 m/s, lungimea jetului e dată de formula lui G.S. Abramovich:

Wm/W0 = 0.96/(aL/r + 0.29) (1)

unde Wm este viteza jetului de gaz la distanţa L(m) de la duză (m/s); W0 este viteza cu care jetul părăseşte duza (m/s); a este coeficientul de turbulenţă al jetului (~0.8).

De exemplu, raza jetului la trecerea din duză în ciclon într-un cuptor de 3200 m3 poate fi calculată după cum urmează (considerând r=1.8m şi viteza gazului 8 m/s la duză şi 1 m/s la capătul zonei de jet): 1.8 = 0.96/(0.8L/1.8 +0.29), de unde L=(8 x 0.96 – 0.29) x18/0.8 =16.6 m (distanţa dintre admisia de gaz şi fundul vasului este de 12 m).

Deoarece jetul este direcţionat în jos în vas, se produc captări secundare şi antrenare de praf din vas, scăzând eficienţa. Un ciclon de 9-12 m necesită mult material şi capital, în timp ce eficienţa scăzută (25-40%) măreşte încărcarea cu praf la nivelul unităţii de desprăfuire şi creşte costurile procesării nămolului. Chiar dacă cicloanele radiale sau tangenţiale oferă oarece beneficii rudimentare, acestea solicită şi mai multe materiale şi investiţii.

Cea mai bună opţiune pentru prima etapă a desprăfuirii este utilizarea unui ciclon axial P. Wurth (Luxemburg), în care camera de sedimentare este separată de recipientul de colectare printr-un deflector, eliminându-se astfel antrenarea secundară. Sub recipentul de colectare se află un sistem de descărcare continuă care evită eliberările de praf şi gaze în atmosferă [2].

Particulele de praf mai mari de 20 μm sunt captate în ciclonul axial, a cărui eficienţă poate atinge 85%. Viteza normală de lucru pentru gaz în secţiunea cilindrică este de 2.5 m/s, ceea ce permite reducerea dimensiunii ciclonului şi a capitalului şi materialelor necesare. Lamelele directoare şi camera inelară sunt protejate împotriva abraziunii cu ajutorul unui strat de carbură de wolfram. Principalele deficienţe ale ciclonului axial includ necesitatea demontării ciclonului, înălţimea sa mare (5-6 m mai înalt decât cicloanele existente), imposibilitatea menţinerii înclinaţiei standard a conductelor descendente de gaz şi necesitatea utilizării unor aranjamente complexe de lamele şi a unor substanţe protectoare scumpe.