УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ОТХОДЯЩЕГО ГАЗА
DEVICE AND METHOD FOR OFFGAS PROCESSING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение направлено на обработку отходящих газов. Точнее говоря, изобретение направлено на отделение и/или удаление пыли из отходящих газов и на получение (производство) рециркулируемых твердых побочных продуктов в системе очистки кислородного конвертера.
Уровень техники
Отходящие газы являются побочным продуктом многих производственных процессов и могут содержать множество веществ, таких как свинец, кадмий, цинк, железо и/или диоксины. Многие из этих веществ считаются вредными для окружающей среды, и их необходимо очищать до того, как отходящий газ будет безопасным образом выпущен в атмосферу. Эти вещества, хотя и опасны для окружающей среды, но могут быть повторно использованы в качестве сырья, до тех пор, пока их концентрации в накопленных твердых отходах будут достаточно высоки. При отделении от отходящего газа, и в то же время при отделении их друг от друга, эти вещества могут найти свое экономичное применение в исходном процессе или на внешних установках. Поэтому эффективная обработка отходящих газов и отделение полезных веществ в ходе процесса имеет важное значение для окружающей среды и финансов.
Например, способ для производства стали с использованием кислородного конвертера будет порождать возникновение отходящего газа, содержащего множество компонентов, включая железо и цинк. После загрузки стального лома в кислородный конвертер расплавленное железо выливается из домны в печь, и в печь вдувают высококачественный кислород, обычно с использованием водоохлаждаемого кислородного копья. Введение кислорода при высоких скоростях вызывает окисление угля, других примесей и некоторого количества железа в смеси, что приводит к выделению тепла и быстрому перемешиванию. В процессе продувки кислородом, в печь добавляют некоторые дополнительные материалы, такие как флюс и сплав. Стальной лом часто содержит цинк, который в процессе изготовления стали может легко испаряться. Из-за сильной турбулентности и высоких температур, связанных с изготовлением стали, вследствие испускания жидкого расплавленного шлака и расплавленного железа, испарения испаряемых компонентов, таких как цинк и свинец, и попадания примесных материалов, может образоваться 10-30 кг пыли на тонну жидкой стали. Пыль переносится отходящим газом.
Считается, что предыдущие способы обработки таких газов не делают твердые отходы отходящего газа пригодными для процесса очистки газа. Часто отходящий газ обрабатывают в мокрых скрубберах или сначала обрабатывают в гравитационных пылеулавливателях, а затем в электростатических осадителях. Это вызывает образование пыли или шлама, который часто содержит цинк. Уровень цинка в пыли или в шламе часто бывает слишком высоким для повторного использования в производстве железа или стали, но слишком низким для экономичной обработки в устройстве для восстановления цинка. Следовательно, пыль или шлам часто отправляют на мусорные свалки или изредка вновь пускают в оборот, с использованием последующего процесса при высоких затратах. В этих последующих процессах обычно перемешивают пыль или шлам с углеродом или с углеродсодержащим веществом с образованием смеси, которую превращают в гранулы или брикеты. Эту смесь впоследствии обрабатывают с использованием нескольких различных этапов, таких как нагрев, расплавление, испарение и повторное окисление, для отделения различных веществ.
Эти прежние способы тем не менее страдают от множества недостатков. Избавление от непригодных для повторного использования твердых отходов является все более и более дорогостоящим и может быть запрещено. Комбинирование твердых отходов с углеродом или углеродсодержащим материалом повышает расходы и количество дополнительных технологических операций, как для создания смеси, так и для обратного разделения исходных веществ. Нагрев, расплавление и/или испарение этих смесей требует наличия большого количества подводимой теплоты, что приводит к дополнительным расходам, образованию дополнительных источников отходов и к дальнейшему загрязнению. Дополнительно эти типы процессов, а также другие способы не позволяют эффективно устранять все вредные вещества из отходящего газа. Более ранние способы также являются неэффективными при надлежащей изоляции и разделении полезных веществ.
Сущность изобретения
В своем примерном варианте воплощения изобретение направлено на создание устройства, используемого при обработке отходящих газов. Устройство содержит первый газовый кондиционер, циклонный фильтр, керамический фильтр, второй газовый кондиционер и пылеулавливающий фильтр. Первый газовый кондиционер сначала кондиционирует отходящий газ. Циклонный фильтр и керамический фильтр спроектированы и сконфигурированы для удаления пыли из отходящего газа. Второй газовый кондиционер кондиционирует наполовину очищенный отходящий газ. Пылеулавливающий фильтр спроектирован и сконфигурирован для удаления желаемого вещества из отходящего газа.
В другом примерном варианте воплощения настоящее изобретение направлено на создание устройства для обработки отходящих газов, где отходящий газ содержит пыль и цинк. Устройство содержит первый газовый кондиционер, циклонный фильтр, керамический фильтр, второй газовый кондиционер и пылеулавливающий фильтр. Первый газовый кондиционер вначале кондиционирует отходящий газ. Циклонный фильтр и керамический фильтр оба пригодны для удаления пыли из отходящего газа, не вызывая конденсацию цинка. Второй газовый кондиционер используют для кондиционирования отходящего газа во второй раз. Наконец, в устройстве использован пылеулавливающий фильтр, пригодный для удаления цинка и оставшейся пыли из отходящего газа.
В другом примерном варианте воплощения настоящее изобретение направлено на создание способа обработки отходящего газа. Способ включает в себя первое кондиционирование отходящего газа. Газ затем вводят в циклонный фильтр. Затем газ выводят из циклонного фильтра в керамический фильтр. Затем газ претерпевает этап второго кондиционирования перед его введением в пылеулавливающий фильтр.
В другом примерном варианте воплощения настоящее изобретение направлено на создание способа обработки отходящего газа. Способ включает в себя первый прием отходящего газа, содержащего пыль и цинк. Отходящий газ кондиционируют в первый раз. Затем отходящий газ процеживают для удаления до 50 масс.% исходной пыли. Отходящий газ затем процеживают во второй раз для удаления до 90 масс.% пыли, оставшейся после этапа первого процеживания. Отходящий газ затем кондиционируют во второй раз. Наконец, отходящий газ процеживают для удаления цинка и оставшихся твердых частиц.
В другом примерном варианте воплощения настоящее изобретение направлено на создание способа обработки отходящего газа. Способ включает в себя прием отходящего газа, содержащего цинк. Отходящий газ кондиционируют для достижения желаемой исходной температуры. Затем отходящий газ вводят в циклонный фильтр, который удаляет первое количество вещества из газа, не вызывая конденсацию цинка. Газ затем подают в керамический фильтр, который удаляет второе количество вещества из газа, не вызывая конденсацию цинка. Газ затем кондиционируют во второй раз и, наконец, подают в пылеулавливающий фильтр, который удаляет цинк и оставшуюся пыль из отходящего газа.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 представляет собой схематическое изображение примерного устройства для обработки отходящего газа.
Фиг.2 представляет собой блок-схему, отображающую примерный способ обработки отходящего газа.
Подробное описание примерных вариантов воплощения
и примерных способов
Далее будет сделана подробная ссылка на примерные варианты воплощения и способы согласно изобретению, проиллюстрированные на прилагаемых чертежах, в которых одинаковые ссылочные позиции означают одинаковые или соответствующие детали на всех чертежах. Однако следует отметить, что изобретение в своем широком аспекте не ограничено конкретными деталями, отображающими устройства и способы, а также иллюстративные примеры, показанные и описанные применительно к примерным вариантам воплощения и способам. В частности, хотя устройство и способ можно использовать для обработки множества различных газов из многочисленных источников, примерные варианты воплощения изобретения будут обсуждаться применительно к фильтрации отходящего газа, поступающего из кислородного конвертера.
При использовании следующего описанного устройства и способов вещества можно разделять и удалять из отходящего газа соответствующим образом. Устройство и способ, описанный ниже, минимизирует количество устройств и этапов, необходимых для эффективной обработки отходящих газов и восстановления ценных веществ. Это является особенно важным для максимизации ценности побочных продуктов, поставляемых для использования во внешнем оборудовании. Дополнительно, тогда как более ранние способы и устройства были направлены на автономную обработку твердых отходов отходящего газа, раскрытое изобретение рассматривает неавтономный процесс, в котором использована избыточная тепловая энергия и кинетическая энергия производственного процесса для содействия обработке твердых отходов отходящего газа.
Вначале отходящий газ получают из производственного процесса 10, например, из кислородного конвертера. Концентрация примесей, присутствующих в газе, может изменяться и, например, может составлять примерно 100-300 грамм на кубический метр. В примерном варианте воплощения газ поступает непосредственно из производственного процесса 10, хотя он может подвергаться более раннему обогащению или обработке, если необходимо. При получении газа он поступает в первый блок 12 кондиционирования. Блок кондиционирования 12 может выполнять множество операций с газом, например, разделение, регулировку расхода, регулировку давления или регулировку температуры. При использовании регулировки температуры газ может быть нагрет или охлажден, в зависимости от рабочих параметров последующего обрабатывающего устройства и исходной температуры отходящего газа. Кондиционирование температуры газа можно выполнять, используя различные теплообменные устройства с непрямым или прямым контактом. Некоторые примеры включают в себя трубчатые теплообменники, пластинчатые теплообменники, жидкостные теплообменники, распылительные колонны и водяные пульверизаторы. В примерном варианте воплощения настоящего изобретения использован водяной пульверизатор, такой как система MicroMistTM от EnvrioCare для кондиционирования отходящего газа, описания которых, таким образом, включены в настоящий документ в виде ссылок. При использовании водяного пульверизатора отходящий газ проходит через камеру, содержащую распылительные насадки. Насадки направляют воду, которая присутствует в форме измельченных капель воды, по всей камере. Кондиционирование газа осуществляют путем регулирования температуры и повышения содержания влаги. Например, газ может быть кондиционирован примерно до 1200ºC, когда он проходит через блок кондиционирования 12. Однако газ может быть кондиционирован до достижения различных температур, в зависимости от последующих устройств.
После первоначальной обработки в блоке кондиционирования 12 газ проходит в первый фильтр 14. Этот фильтр 14 должен быть пригоден для удаления вещества и/или частиц, например, количества пыли, имеющейся в отходящем газе. В примерном варианте воплощения, при использовании в сочетании с кислородным конвертером для отходящего газа, первый фильтр 14 удаляет пыль 16, обогащенную железом, из отходящего газа, не вызывая конденсацию цинка, имеющегося в газе. Многие различные фильтры можно использовать для достижения требуемых особенностей настоящего изобретения.
Одним примером фильтра, пригодного для этого, является циклонный фильтр. Циклонные фильтры являются частью множества подходящих типов фильтров, обладающих различными рабочими параметрами. Примером таких фильтров являются осевые циклонные фильтры, выпускаемые компанией Paul Wurth S.A., и горячие циклонные фильтры, выпускаемые компанией Siemens VAI, спецификации которых, таким образом, включены в настоящий документ в виде ссылки. Циклонные фильтры принимают текучую среду через наклонный впускной канал в кожух, который порождает циклонный эффект, поворачивая текучую среду вокруг и через внутреннюю часть кожуха. Текучая среда затем поворачивает вверх и выходит через верх фильтра. В движении текучей среды использована сила инерции для отделения более тяжелых частиц, присутствующих в отходящем газе.
В примерном варианте воплощения используется горячий циклонный фильтр. Горячий циклонный фильтр может быть футерован керамикой для работы с высокотемпературным газом. Дополнительно снаружи можно использовать источник тепла для регулировки внутренней температуры фильтра. Эти фильтры будут не позволять газу охлаждаться и, таким образом, предотвращать конденсацию испаренного вещества 18, присутствующего в газе. Это позволяет горячему циклонному фильтру отделять только пыль 16, присутствующую в отходящем газе. Геометрию фильтра можно спроектировать и оптимизировать в соответствии с расходом потока отходящего газа, таким образом, чтобы можно было удалить более 50 масс.% пыли 16, присутствующей в газе.
Покинув первый фильтр 14, газ попадает во второй фильтр 20. Этот фильтр 20 должен быть пригодным для удаления вещества и/или частиц из отходящего газа, например, пыли 16, остающейся в газе после прохождения через первый фильтр 14. Как и для первого фильтра 14, это может быть достигнуто без конденсации испаренных веществ, таких как цинк. В примерном варианте воплощения второй фильтр 20 пригоден для удаления почти всей пыли 16, оставшейся в отходящем газе после того, как она прошла через первый фильтр 14. Множество различных фильтров можно использовать для достижения требуемых особенностей настоящего изобретения.
Одним типом фильтра, который можно использовать, является керамический фильтр, такой как фильтры, выпускаемые под обозначением Glosfume, и компанией Pall Corporation, спецификации которых, таким образом, включены в настоящий документ в виде ссылки. В зависимости от отходящего газа, другие аналогичные материалы можно использовать для таких элементов фильтра, как углеродные фильтры, также спроектированные компанией Pall Corporation, спецификации которых, таким образом, также включены в настоящий документ в виде ссылки.
В керамических фильтрах использованы картриджи для удаления частиц, имеющихся в текучей среде, поскольку он проходит через кожух фильтра. Керамический фильтр включает в себя любое количество картриджей, и каждый из них имеет канал фильтра, который может иметь множество форм, таких как прямоугольная, квадратная или сотовидная. Картриджи также могут быть изготовлены из различных материалов, включая оксид алюминия, оксид кремния и карбид кремния. Керамические фильтры могут выдерживать высокую рабочую температуру, вследствие чего газ не приходится охлаждать после его выхода из фильтра 14. Отходящий газ подлежит обработке при выходе из кислородного конвертера, где высокая температура газа будет предотвращать конденсацию цинка, вследствие чего можно эффективно отделять и отфильтровывать другие вещества. Поскольку часть пыли 16 уже была удалена предыдущим фильтром, керамический фильтр удаляет до 90 масс.% пыли 16, оставшейся в отходящем газе. В качестве дополнительного преимущества керамический фильтр удаляет более мелкие частицы, присутствующие в отходящем газе, чем те, которые можно удалить циклонным фильтром.
После прохождения отходящего газа через первый и второй фильтры 14, 20 большая часть пыли 16, содержащейся в газе, отделяется. В зависимости от отходящего газа, эта пыль 16 может быть пригодной для использования в исходном производственном процессе либо на внешнем оборудовании. Поэтому пыль 16 можно собирать из первого и второго фильтров 14, 20 для повторного использования. В зависимости от расположения пыль 16 из первого и второго фильтров 14, 20 может выходить в то же местоположение или в отдельные местоположения. Затем пыль 16 можно собирать и либо повторно использовать в установке, либо переправлять в различные местоположения.
В примерном варианте воплощения, относящемся к обработке отходящего газа, выходящего из кислородного конвертера, пыль 16, накопленная в первом и втором фильтре 14, 20, будет содержать высокие количества железа. Эту пыль, обогащенную железом, можно повторно использовать в агломерационной установке, в которой пыль будет использована для добавления порошкообразной железной руды, загружаемой в агломерационную шихту. Поскольку пыль, обогащенная железом, была отделена, и в ней почти отсутствует цинк, ее можно использовать непосредственно в агломерационной установке и затем в доменной печи без дополнительной обработки. Это повышает эффективность процесса производства стали, за счет снижения расходов и возможности повторного использования отходов.
После прохождения через второй фильтр 20 газ попадает во второй блок кондиционирования 22. Как и для первого блока кондиционирования 12, здесь может происходить множество различных операций. Например, газ можно снова кондиционировать для регулировки его температуры при нагреве или охлаждении, в зависимости от рабочих параметров последующего обрабатывающего устройства. Кондиционирование температуры газа можно выполнять путем использования различных теплообменных устройств с непрямым или прямым контактом. Некоторые примеры включают в себя трубчатые теплообменники, пластинчатые теплообменники, жидкостные теплообменники, распылительные колонны и водяные пульверизаторы. Второй блок кондиционирования 22 может быть того же типа, что и первый блок кондиционирования 12. В примерном варианте воплощения, в котором использован водяной пульверизатор, отходящий газ будет проходить через камеру, содержащую распылительную насадку. Эта насадка будет направлять воду через камеру для равномерного кондиционирования температуры газа.
После прохождения через второй блок кондиционирования 22 отходящий газ проходит через третий фильтр 24. Этот фильтр 24 спроектирован для удаления веществ, которые остаются в отходящем газе после прохождения через предыдущие этапы обработки. Эти вещества могут еще испаряться в отходящий газ или могут конденсироваться на выходе из блока кондиционирования 22. В примерном варианте воплощения, относящемся к обработке отходящего газа, выходящего из кислородного конвертера, третий фильтр 24 удаляет цинк 18, присутствующий в газе. Фильтр 24 может представлять собой любой фильтр стандартного типа, пригодный для этой цели.
В примерном варианте воплощения третий фильтр 24 представляет собой пылеулавливающий фильтр, такой как фильтры, выпускаемые компанией Aircon Corporation, Ducon, или U.S. Air Filtration, Inc., спецификации которых, таким образом, включены в настоящий документ в виде ссылки. В пылеулавливающих фильтрах обычно используют несколько тканевых мешков, которые отфильтровывают частицы, когда отходящий газ проходит через них. Очищенный воздух будет выходить через верх пылеулавливающего фильтра, тогда как частицы будут оседать на дне. Можно использовать различные типы рукавных фильтров, включая воздушные фильтры с обратной продувкой, реверсивно-струйные фильтры и фильтры с регенерацией механическим встряхиванием. Мешки, используемые в фильтре, можно изготавливать из различных материалов, включая тканый или войлочный хлопок, стекловолокно или синтетические материалы. Используемый материал будет зависеть от множества факторов, включая температуру газа, попадающего в фильтр, размера фильтруемых частиц, давления газа и т.д. Таким образом, материалы, используемые в пылеулавливающем фильтре, необходимо учитывать при выборе температуры кондиционирования газа на предыдущем этапе кондиционирования. В примерном варианте воплощения пылеулавливающий фильтр может иметь рабочую температуру в пределах 260ºC.
После прохождения через третий фильтр 24 обработанный отходящий газ может быть выпущен в атмосферу или он может подвергнуться дополнительной обработке, в зависимости от характеристик и содержания газа. Вещество 18, процеженное через третий фильтр 24, можно собрать и использовать повторно, аналогично пыли 16, собранной из первых двух фильтров 14, 20. В примерном варианте воплощения, относящемся к обработке отходящего газа, поступающего из кислородного конвертера, оставшегося в результате уже проведенного удаления вещества в предыдущих фильтрах 14, 20, вещество 18, отделенное третьим фильтром 24, может иметь высокую концентрацию цинка. Из-за высокой концентрации цинка это вещество 18 пригодно в качестве сырьевого материала. Накопленный цинк можно продавать для других отраслей производства и использовать для различных целей, таких как покрытия, производство сплавов, и для использования в других соединениях.
Как лучше всего показано на фиг.2, в дополнение к устройству и способу, описанному выше, примерный вариант воплощения изобретения направлен на создание способа для обработки отходящего газа. Вначале газ, принимаемый в зоне проведения первого этапа 26 из зоны производственного процесса, содержит пыль, обогащенную цинком и железом. Отходящий газ затем кондиционируют на этапе 28. Этот первый этап кондиционирования выполняют посредством теплообменника, такого как водяной пульверизатор, и кондиционируют газ до достижения температуры примерно 1200ºC, которая является более высокой, чем температура испарения цинка. В результате цинк не конденсируется, а остается испаренным. Затем газ проходит сквозь первый фильтр 30, который удаляет первое количество вещества, такое как пыль, содержащую железо. Удаленное количество может составлять, например, до 50 масс.%. Затем газ проходит сквозь второй фильтр 32, который удаляет второе количество вещества, например, второе количество пыли. Удаленное количество может составлять, например, до 90 масс.% пыли, оставшейся в отходящем газе. Затем газ подвергается второму этапу кондиционирования 34. На этом этапе происходит кондиционирование газа до достижения второй температуры, например 260ºC. Этот второй этап кондиционирования 34 также выполняют посредством теплообменника, такого как водяной пульверизатор. Газ затем проходит сквозь третий фильтр 36, который удаляет другое вещество, такое как цинк, содержащийся в газе. На дополнительных этапах пыль, обогащенную железом, отделенную на первом этапе фильтрации 30 и на втором этапе фильтрации 32, можно собирать на этапе 38. Аналогично цинк, отделенный на третьем этапе фильтрации 36, можно собирать на этапе 40.
-2
-3
Специалистам в данной области техники должно быть понятно, что при производстве стали в кислородном конвертере (basic oxygen furnace, BOF) генерирование пыли происходит в диапазоне 10-30 кг на тонну жидкой стали; генерирование газа составляет примерно 101 стандартных кубометров на тонну жидкой стали, без учета сгорания газа, инфильтрации воздуха и охлаждения воды; концентрация пыли в газе, если не учитывать сгорание газа, инфильтрацию воздуха и охлаждение воды, составляет примерно 100-300 г на стандартный кубический метр; пар цинка в газе имеет парциальное давление <1·10 атм., главным образом, ~1·10 атм. Современный тканевый фильтр может функционировать в течение продолжительного периода времени при 260°C (500°F) или более. Раскрытое изобретение пригодно для функционирования при этих условиях.
Вышеупомянутое описание примерных вариантов воплощения настоящего изобретения было представлено в целях иллюстрации. Оно не должно рассматриваться как исчерпывающее или ограничивающее изобретение до конкретных раскрытых форм. В свете вышеприведенных учений возможны очевидные модификации или варианты. Варианты воплощения, раскрытые выше, были выбраны для наилучшей иллюстрации принципов настоящего изобретения и его конкретного применения, для облегчения, таким образом, для специалистов в данной области техники возможности наилучшим образом применять изобретение в различных вариантах воплощения и с различными модификациями, которые являются пригодными для конкретного рассматриваемого использования, до тех пор, пока соблюдаются принципы, описанные в настоящей работе. Таким образом, в вышеописанном изобретении можно осуществлять изменения, не отступая от его сущности и объема. Например, к примерным вариантам воплощения, описанным выше, можно добавить различные устройства и этапы, не отступая от объема изобретения. Более того, признаки или компоненты одного варианта воплощения могут быть обеспечены и в другом варианте воплощения. Таким образом, предполагается, что настоящее изобретение охватывает все такие модификации и варианты.