Технология и экологическая безопасность мартеновского производства

Технологическая схема  очистки мартеновских газов приведена на рисунке 3.

 

1 - рабочее пространство; 2 - шлаковики; 3 - регенераторы; 4 - воздушные  клапаны; 5,9- дымовые шиберы; 6, 7, 8 - газовые  клапаны; 10 - вентиляторы; 11 - дымовая  труба. 

 

Конструкция мартеновской печи: свод печи, правая и левая головки, правый и левый регенераторы для подогрева воздуха и газа, система шиберных затворов, дымовая труба. В верхнем строении печи имеется 5 завалочных окон. В задней стенке имеется сталевыпускное отверстие и желоба для заливки жидкого чугуна в печь.

Рабочее пространство печи ограничено снизу подом, с боков - поперечными и продольными откосами, передней и задней стенкой, а сверху перекрыто сводом. Нижняя часть рабочего пространства от пода до уровня порогов рабочих окон является ванной, в которой находятся жидкий металл и шлак.

Нижнее строение печи состоит из шлаковиков, регенераторов, системы боровов с перекидными  и регулирующими газовые потоки устройствами. Шлаковики служат для  осаждения в них большей части  пыли, содержащейся в продуктах сгорания. Пыль состоит из основных оксидов, в том числе 60-80% оксидов железа, и образуется из частиц, выносимых из жидкой ванны, а также из добавляемых в печь сыпучих материалов - железной руды, извести и другое. В шлаковиках осаждается до 75% пыли.

Из шлаковиков отходящие  газы с температурой 1500-1600 °С попадают в насадки регенераторов.

Для управления движением  газов и осуществления «перекидок»  в боровах и газоходах устанавливают  систему шиберов, клапанов, дросселей. Из боровов дымовые газы поступают  в дымовую трубу.

При нагреве поступающих в печь газа и воздуха, в регенераторах обеспечивается достаточно высокая температура факела (> 1800 °С). Чем выше удается повысить температуру поступающих в печь газа и воздуха, тем выше температура факела и тем лучше работает печь.

Для интенсификации процесса горения топлива используют турбинный воздух и воздух, обогащенный кислородом. Температура нагрева воздуха в насадках регенераторов 1100-1200 °С.

 

2.3 Расчёт полого скруббера

 

Расчётом полого скруббера определяют его объём, а следовательно, и расход воды. Количество тепла Q, кВт, которое газ должен отдать в процессе своего охлаждения до заданной температуры, определяют по формуле:

 

Q=Vо[ссм(t – t )+f1(I1п–I2п),

 

Где Vо – количество сухого газа при нормальных условиях, подлежащее охлаждению, м³/с;

Ссм - объёмная теплоёмкость газа при нормальных условиях, кДж (м³*˚С);

t1 и t2 – температура начального и конечного состояний газов ˚С;

I1п и I2п – энтальпия  водяного пара в газе соответственно до и после охлаждения, кДж/м³;

f1 – влагосодержание  газа до охлаждения, кг/м³.

Начальную и конечную энтальпию водяного пара, кДж/м³, рассчитывают по формулам:

 

I1п = 2480 + 1,96 t1

I2п = 2480 + 1,96 t2

 

Пренебрегая теплопотерями  в окружающую среду, полезный рабочий  объём скруббера, м³, рассчитывают по формуле:

 

Vскр = Q/kΔt, где

 

k – объемный коэффициент  теплопередачи в скруббере, Вт/(м³*˚С);

Δt – средняя разность температур газа и жидкости, ˚С.

Среднюю разность температур газа и воды в сруббере (газ и вода движутся противотоком) определяют из выражения:

 

Δt = [(t1 - tk) – (t2 - tн)]/2,3lg(t1 - tk)/(t2 - tн), где

 

tk и tн – начальная и конечная температура воды, ˚С.

Рассчитаем полый скруббер, где

 

V0 = 120 тыс м³/ч; t1 = 225 ˚С, t2 = 100 ˚С;

 

f1 = 70 г/м³; 27,6% СО2, 63% N2, 9,4% О2; давление газа перед скруббером ρ = 49000 Па; барометрическое давление ρбар = 101325 Па; температура воды, поступающей в скруббер, tн = 30 ˚С.

1) найдём количество  сухих газов при нормальных  условиях:

 

V0 сух = V0 вл * 0,804/(0,804 + f1)

V0 сух = (120000/3600)*0,804/(0,804 + 0,07) = 30,66

 

2) Рассчитаем объёмную  теплоёмкость газа при нормальных  условиях:

 

N2 = 1,040*1,25 = 1,29 кДж (м³*˚С)

СО2 = 0,836 * 1,963 = 1,64 кДж (м³*˚С)

О2 = 0,911*1,429 = 1,30 кДж (м³*˚С)

 

Тогда Ссм = 1,25*0,63 + 1,64*0,276 + 1,30*0,094 = 1,36 кДж (м³*˚С)

3) Найдём начальную и конечную энтальпию водяного пара:

 

Q=Vо[ссм(t – t )+f1(I1п–I2п)

I1п = 2480 + 1,96 t1

I2п = 2480 + 1,96 t2

I1п = 2480 + 1,96*225 = 2921 кДж/кг

I2п = 2480 + 1,96*100 = 2676 кДж/кг

Q = 30,66 [1,36(225 – 100) +0,07 (2921 – 2676)] = 5738,01 кВт

 

Находим конечную температуру  воды tк на выходе из скруббера. Она может быть принята на 5 – 10 ˚С ниже температуры мокрого термометра. Температура мокрого термометра

 

t1 = 225 ˚С и f2 = 70 г/м³

tм = 57 + (62 – 57)/100*50 = 59,5 ˚С

 

конечная температура  воды tк = 59,5 – 9,5 = 50 ˚С

Рассчитываем среднюю  разность температур газа и воды в  скруббере по формуле:

 

Δt = (225 – 50) – (100 – 30)/2,3lg [(225 – 50)/(100 – 30)] = 114 ˚С

 

Определяем рабочий  объём скруббера по формуле. Объёмный коэффициент теплопередачи принимаем равным 200 Вт/(м³*˚С);

 

Vскр = 5738,01/(200*114) = 252 м³

Мв = (5708,01*10³)/[0,5(2010*100 – 30) + (1 – 0,5)*(50 – 30)] = 57,1 кг/сек

 

Конечное влагосодержание  газа на выходе из скруббера определяем по диаграмме I – χ. Для этого на линии насыщения φ = % находим точку, соответствующую tм = 59,5˚С. Двигаясь от этой точки по линии I = const до пересечения с линией соответствующей t2 = 100 ˚С, находим, что на выходе из скруббера влагосодержание газа χ2 = 0,130 кг/кг. Для выражения влагосодержания f2 = χ2ρ0 кг/м³ находим плотность газовой смеси при нормальных условиях по формуле:

 

ρ0 = 1/100(1,963*27,6 + 1,25*63 + 1,429*9,4) = 1,46 кг/м³

 

Тогда f2 = 0,130*1,46 = 0,19 кг/м³

 

Рассчитываем объём  газа при рабочих условиях на выходе из скруббера по формуле:

 

V = 120000/3600*101325(273 + 100)/273(101325 + 49000)*(1 + 0,19/0,804) = 24,75 м³/с

 

Определяем размеры  скруббера. Приняв скорость газа в нём  равной 1,0 м/с, рассчитываем диаметр скруббера;

 

D = √4V/πν

D = √(4*24,75)/(3,14*1,0) = 5,62 м

 

Высоту скруббера находим из уравнения

 

Н = 4Vскр/πD²

Н = 4*252 /3,14*5,62² = 10,16 м

 

Отношение Н/D = 10,16/5,62 = 1,8 близко к рекомендуемой практикой величине 2,5

Рассчитываем количество форсунок для установки в скруббере. Принимаем в установке в скруббер эвольвентные форсунки диаметром 75 мм и с соплом диаметром 25,3 мм. Задавшись давлением воды перед форсункой 2*10³ кПа, по графику находим её производительность:

 

М1 = (18,5 * 1000)/3600 = 5,1 кг/сек

 

Число форсунок, которое  требуется установить в скруббере, составит:

 

n = Мв /М1

n = 57,1/5,1 = 11 шт.

 

2.4 Расчёт скоростного пылеуловителя с трубами Вентури

 

Рассчитаем скоростной пылеуловитель с трубами Вентури, где V0 = 120 тыс м³/ч; t1 = 225 ˚С, t2 = 100 ˚С; f1 = 70 г/м³; 27,6% СО2, 63% N2, 9,4% О2.

Запылённость газа q1 = 7,5 г/м³; разрежение перед трубами Вентури ρ = 3000 Па; барометрическое давление ρбар = 101325 Па. Требуемая конечная запылённость газа q2 90 мг/м³; температура воды, подаваемой в аппараты, t1.в = 18 ˚С.

Найдём требуемую эффективность  пылеуловителя:

 

ŋ = (q1 – q2)/q1

ŋ = (7500 – 90)7500 = 0,988

 

Число единиц переноса определяем по формуле:

 

Nч = ln[1/(1 – ŋ)]

Nч = ln[1/(1 – 0,988)] = 3,88

 

Найдём значение удельной энергии Кт. Значение 3,88 = 1,565*10-6Кт1,619 от куда Кт = 8903 кДж/1000 м3

Рассчитаем количество газов, поступающих в трубы Вентури при рабочих условиях:

 

V1 = 120000/3600*101325 (273 + 225)/273(101325 – 3000)*(1 + 0,07/0,804) = 68,30 м3/сек

 

Приняв удельный расход воды m = Vв/V1 = 1*10-3 м3/м3, находим общий расход воды на трубы Вентури:

 

Vв = m*V1

Vв = 1*68,3 = 68,3 л/см

 

Рассчитаем гидравлическое сопротивление  скруббера Вентури, приняв давление воды ρв = 300 Па:

 

ΔР = Кт – ρв*m;

ΔР = 8903 – 30000*1*10-3 = 8603 Па

 

Находим плотность газа при нормальных условиях на входе в трубу Вентури:

 

ρ0 = 1/100(1,963*27,6 + 1,25*63 + 1,429*9,4) = 1,46 кг/м³

 

Рассчитаем температуру газа на выходе из трубы Вентури:

 

t2 = (0,133 – 0,041*1)225 + 35 = 61 ˚С;

 

Находим влагосодержание газа на выходе из труб Вентури:

 

χ1 = f1/ ρ0

χ1 = 0,07/1,46 = 0,048 кг/кг

f2 = 0,11*1,46 = 0,161 кг/м3

 

Находим плотность газа при рабочих  условиях на выходе из скруббера Вентури:

 

ρ2 = (ρ0 + f2)273(ρбар – ρ - Δ ρ)/(1 + f2/0,804)101325(273 + t2);

ρ2 = (1,42 + 0,161)273(101325 – 3000 – 6730)/(1 + 0,161/0,804)*101325* (273 + 61) = 0,973 кг/м3

 

Найдём количество газа на выходе из трубы Вентури:

 

V2 = (V0/ 3600)*(ρ0/ρ2);

V2 = (120000/3600)(1,46/0,973) = 50,01 м3/сек

 

Размеры инерционного пыле – и каплеуловителя (бункера) определим  по скорости в его поперечном сечении

 

νσ = 2,5 м/сек:

Dσ = 1,13 √V2/ νσ;

Dσ = 1,13 √50,01/2,5 = 5,1 м

 

Высоту цилиндрической части бункера принимаем Нσ = 4,3 м, гидравлическое сопротивление бункера  рассчитаем, приняв ξσ = 80:

 

ΔРσ = ξ (ν2σ/2)*ρ2

ΔРσ = 80(2,52/2)0,973 = 243,25 Па

 

Находим диаметр центробежного скруббера типа МП – ВТИ. Скорость газа в цилиндрической части скруббера принимаем за ν = 4,5 м/сек:

 

Dскр = 1,13 √V2/ ν2;

Dскр = 1,13√50,01/4,5 = 3,8 м

 

Предусматриваем стандартный  скруббер диаметром 3300 мм и рассчитаем действительную скорость газа в нём:

 

ν = 4*V2/π*Dскр2;

ν = (4*50,01)/(3,14*3,82) = 4,41 м/сек

 

Для рассчитываемого скруббера  Н = 3,8*Dскр;

 

Н = 3,8*3,8 = 14,44 м

 

Определим гидравлическое сопротивление скруббера, при ξ = 34:

 

ΔРскр = 34*(4,412/2)*0,973 = 321,69 Па

 

Гидравлическое сопротивление труб Вентури составит:

 

Δρтв = Δρ0 – Δρσ - Δρскр

Δρтв = 8603 – 243,25 – 321,69 = 8038 Па

 

Рассчитываем скорость газа в горловине трубы Вентури  по формуле:

 

ν2 = √2* ΔρТВ/ξс + ξж*ρж*m;

ν2 = √(2*8038)/(0,15*0,973 + 0,75* 966*1*10-3) = 136 м/сек

 

Определяем геометрические размеры трубы Вентури. Для обеспечения  равномерного орошения трубы Вентури  через одну центрально расположенную  форсунку принимаем диаметр горловины  трубы D2 = 300 мм и рассчитаем число труб Вентури:

 

D22 = 1,132√V2/ν2*n

От куда n = 1,132*V2/ν2

D22 = 1,132[50,01/(136*0,32)] = 6 шт.

 

Приняв 6 труб Вентури, уточняем диаметр горловины:

 

D2 = √50,01/(136*6) = 0,247 м

 

Рассчитываем диаметр входного сечения конфузора, приняв скорость газа в нём ν3 = 20 м/сек

 

D1 = 1,13√V1/ν1*n

D1 = 1,13√68,30/(20*6) = 0,852 м

 

Диаметр выходного сечения  диффузора при скорости газа в  нём ν3 = 20 м/с составит:

 

D3 = 1,13√V2/ν3*n

D3 = 1,13√50,01/(20*6) = 0,729 м

 

Найдём длины отдельных частей трубы Вентури: длинна конфузора, если α1 = 25˚:

 

l1 = 2,25(D1 – D2)

l1 = 2,25(0,852 – 0,247) = 1,361 м

 

Длина горловины:

 

l2 = ¾* D2

l2 = 0,15*0,247 = 0,037 м

 

Длинна диффузора α2 = 6˚:

 

l3 = (D3 –D2)/2tg α2/2

l3 = (0,729 – 0,247)/2tg6/2 = 4,167 м

 

Полная длинна каждой трубы Вентури:

 

l = l1 + l2 + l3

l = 1,361 + 0,037 + 4,167 = 5,565 м

 

2.5 Технология подготовки  вторичных материальных ресурсов

 

Производственная пыль образуется в результате механического  измельчения твёрдых тел, транспортировки  пылевидных материалов, не полного  сгорания горючих веществ и при  процессах конденсации. По происхождению пыль бывает органической, неорганической и смешанной, состоящей из органических и неорганических веществ.

По размеру частиц пыль подразделяется на «собственно» пыль, размер частиц которой более 10 мкм, «облако» - размер частиц от 10 до 0,1 мкм и «дым» - размер частиц менее 0,1 мкм. Дым практически не оседает и постоянно загрязняет атмосферу.

Пылинки размером более 50 мкм задерживаются при дыхании  в носу, носоглотке, трахее и крупных  бронхах. Пылинки в 15 - 10 мкм задерживаются в верхних дыхательных путях, в том числе и в мелких бронхах. Пылинки в 10 - 5 мкм могут достигать альвеол лёгких, однако главным образом задерживаются в верхних дыхательных путях. Мелкая пыль с частицами размером 5 – 0,1 мкм и менее при дыхании попадает в альвеолы лёгких и, следовательно, является наиболее опасной.

В металлургическом производстве чаще всего приходится встречаться  с пылью, содержащей окись кремния, окислы железа, окислы марганца и фтористые  соединения. Контроль за содержанием  пыли в воздухе рабочих помещений производится обычно весовым методом который заключается в просасывании определённого объёма воздуха через фильтр, заключённый в стеклянной трубке. По окончании просасывания требуемого объёма воздуха фильтр взвешивается на аналитических весах. Сущность счетного метода заключается в осаждении пыли из определённого объёма воздуха с помощью специальных приборов на покровное стёклышко микроскопа. После этого, под микроскопом при увеличении более чем в 1000 раз подсчитывают пылинки и определяют их формы и размеры.