CC BY
2
Сравнительный анализ конструкций пылеосадительных камер систем очистки выбросов сталеплавильной печи
1 2 11 О.М. Билан , Н.В. Мензелинцева, В.Н.Азаров , М.Д. Азарова
1 Волгоградский государственный технический университет Волгоградский государственный университет
Аннотация: Рассмотрены основные конструкций пылеосадительных камер металлургических предприятий, дан анализ с позиции типа металлургических печей, их мощности, схем отвода газов от них до газоочистного оборудования. Исследовано движение потока газа в камерах различных конструкций с помощью программного продукта SolidWorks с приложением FlowSimulation, что позволило установить особенности поведения газовоздушного потока в зависимости от конструкции пылеосадительной камеры. Ключевые слова: пылеосадительные камеры, сталеплавильная печь, твердые частицы, моделирование, газовоздушный поток, рукавный фильтр, газоотводящий тракт.
Стратегия развития черной металлургии России на 2014-2020 гг. и на перспективу до 2030 г. (утверждена приказом Минпромторга России от 05.05.2014 №839) предусматривает увеличение доли производства стали в электропечах на 42,1 % к 2030 г [1] . Растущее производство электростали с использованием новых интенсивных технологий неизбежно приводит к увеличенному образованию запыленных технологических газов с высоким содержанием СО, что требует разработки эффективных систем отвода, охлаждения и очистки отходящих газов электросталеплавильных печей [2,3].
На долю предприятий черной металлургии приходится 15-20% общих загрязнений атмосферы промышленностью [1,2]. В среднем на1млн.т готовой продукции заводов черной металлургии выделение составляет, т/сутки: пыли-350, сернистого ангидрида-200, оксида углерода-400, оксидов азота-42 [1].
Основную часть выбросов от сталеплавильной печи составляют твердые частицы [1,2]. По данным ряда авторов, при производительности печи 20 т удельные пылевыделения составляют 8,1 кг/т, удельные суммарные газовыделения - 1,79 кг/т ; при производительности печи 100 т удельные выде-
ления пыли равны 6,6 кг/т, удельные суммарные выделения оксида углерода и оксидов азота - 1,79 кг/т [1 ].
На многих электросталеплавильных предприятиях России и ряда зарубежных компаний применяется схема отвода газов от сталеплавильной печи при помощи газоотводящего тракта, включающего камеру дожигания оксида углерода, пылеосадительную камеру и рукавные фильтры.
Пылеосадительная камера, в классическом понимании, это аппарат гравитационного типа для улавливания крупнодисперсной пыли. Эффективность улавливания крупных частиц не превышает 40-50%. К достоинствам этих аппаратов относят стабильность в работе, экономичность в изготовлении, в том числе за счет применяемых материалов [4,5]. Очень часто они изготавливаются в водоохлаждаемом исполнении, что позволяет значительно охлаждать отходящие газы [6, 7].
Конструкции пылеосадительных камер, применяемых на металлургических предприятиях, различны в зависимости от производителя и емкости дуговой сталеплавильной печи.
Выбор конструкции пылеосадительной камеры в значительной степени определяется общей планировкой цеха и требованиями оптимального использования рабочего пространства [8]. Конструкции пылеосадительных камер различаются по направлению потока воздуха.
Анализ основных вариантов конструкций пылеосадительных камер, применяемых отечественными металлургическими предприятиями, в зависимости от типов металлургических печей, их мощности, схем отвода газов от них до газоочистного оборудования, позволил выявить наиболее часто встречающиеся конструкции (таблица 1).
Проведен анализ движения потока газа в камерах указанных конструкций.
Моделирование движения потока воздуха внутри камер выполнено в при помощи программного продукта SolidWorks с приложением FlowSimulation [9,10]. Программа предназначена для моделирования движения потоков жидкости и газа, как в реальных условиях, так и при прогнозировании, и для вычисления рабочих характеристик.
Таблица № 1 Основные конструкции пылеосадительных камер
№
Описание процесса
Схема потока
2
3
Вход потока - горизонтально, Выход потока - горизонтально
2
Вход потока - вертикально сверху, Выход потока - горизонтально
Вход потока- горизонтально, Выход потока - вертикально вверх
4
Вход потока- горизонтально, Выход потока - горизонтально, Камера разделена перегородкой
5
Вход потока - горизонтально, Выход потока - горизонтально, Камера разделена двумя перегородками
6
Вход потока - горизонтально, Выход потока - горизонтально, Камера разделена двумя горизонтальными _перегородками_
7
Вход потока- вертикально сверху, Выход потока - горизонтально, Камера разделена двумя перегородками
1
1
3
2
8
Вход потока- горизонтально, Выход потока - вертикально вверх, Камера разделена перегородкой
9
Вход потока- вертикально сверху, На входном патрубке расширение для направление потока,
Выход потока - горизонтально
10
Вход потока - под углом сверху, Выход потока - горизонтально
11
Вход потока- вертикально сверху, Выход потока - вертикально вверх
12
Вход потока- вертикально сверху, на входном патрубке расширение для направления потока Выход потока - вертикально вверх
3
При исследовании были заданы следующие параметры: скорость газовоздушной смеси на входе в камеру - 5 м/с; температура ГВС - 20 °С; давление на входе в камеру - нормальное. Геометрические размеры камеры: длина Ь=15 м, ширина Н=8.0 м, высота В=5,5м.
Результаты моделирование потоков для некоторых конструкций камер представлены на рис.1-12. Пылеосадительные камеры даны в разрезе, поток воздуха показан стрелками, характеризующими его направление в данной точке. Цвета стрелок соответствуют диаграмме скорости и давления отображаемые справа от чертежа камеры.
Результаты моделирования позволили установить особенности поведения газовоздушного потока в зависимости от конструкции пылеосадитель-ной камеры. При горизонтальном движении газовоздушной смеси (ГВС) (схема 1,3) осаждение частиц пыли происходит под действием силы тяжести,
и
эффективность улавливания будет определяться длиной камеры. При вертикальном выходе очищенная ГВС за счет контакта со стенкой камеры делится на два потока, один из которых поднимается вверх и выходит из аппарата, а второй, наоборот, направлен ко дну камеры, что создает условия для дополнительного осаждения твердых частиц.
Рис. 1. - Изменение скорости потока воздуха, схема 1.
Рис. 2. - Изменение давления внутри аппарата, схема 1.
Рис. 3. - Движение потока, схема 1.
Рис.7. - Изменение скорости потока, схема 12.
Рис.8. - Движение потока и изменение скорости, схема 12.
Рис. 9. - Движение потока, схема 12.
При вертикальном входе в камеру (схемы 2,9) поток делится на две части, из которых одна проходит через всю камеру до выхода, при этом твердые частицы опускаются на дно, а второй поток движется вертикально до контакта с полом камеры, у передней стенки камеры создается завихрение.
Для пылеосадительных камер с установленными горизонтальными полками поток движется в полостях полок практически горизонтально до выхода из камеры, и только незначительная часть потока поступает в пространство между стенкой камеры и полкой, тем самым формируя обратный поток. Частицы пыли могут оседать на полках, или же на пол камеры из обратного потока. Необходимо отметить, что в этом случае основной поток теряет скорость незначительно, так как он мало расширяется в полостях полок, но наличие полок способствует охлаждению из-за большой площади контакта.
Вертикальные полки делят камеру на отдельные полости (Схемы 4,5,7,8) За счет удара входящего потока воздуха о полку в этих полостях создаются завихрения, при этом скорость потока уменьшается, увеличивается время нахождения в камере, что способствует как повышению эффективности оседания твердых частиц, так и охлаждению.
Для камер с верхним входом через конический патрубок, расширяющийся к полу камеры, (схема 9), характерно разделение входного потока на два. Один движется вдоль камеры на выход. Второй создает завихрение у передней стенки. Изменяя длину входного патрубка, можно регулировать структуру входящего потока.
При верхнем входе в камеру и верхнем выходе из-за изменения траектории возникают завихрения у передней стенки камеры и на выходе. Могут наблюдаться завихрения по ходу движения потока (схема 11). Постоянное перемешивание потока увеличивает время пребывания в камере, за счет чего уменьшается температура ГВС.
Установленные закономерности могут быть использованы для оптимизации процессов, происходящих в пылеосадительных камерах, а также при разработке оптимальной конструкции камеры.
Выводы
1. Проведен анализ основных конструкций пылеосадительных камер, применяемых отечественными металлургическими предприятиями, в зависимости от типа металлургических печей, их мощности, схем отвода газов от них до газоочистного оборудования.
2. С помощью программного продукта SolidWorks с приложением FlowSimulation проанализировано движение потока газа в камерах различных конструкций. Результаты моделирования позволили установить особенности поведения газовоздушного потока в зависимости от конструкции пылеоса-дительной камеры.
Литература
1. Сергина Н.М., Гвоздков И.А., Сидякин П.П., Павлюк Е.Г. О результатах обследования системы удаления и очистки пылевых выбросов в атмосферу при плавке стали в электродуговой печи ДСП-150. Современная наука и инновации. Ставрополь-Пятигорск, 2015, с.76-81.
2. Тулуевский Ю.Н., Зинуров И.Ю. Инновации для дуговых сталеплавильных печей. Научные основы выбора: монография - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2010, 347 с.
3. Миличева Н.Н., Саблина А.Н. Наилучшие доступные технологии снижения выбросов в атмосферный воздух, применимые в различных отраслях промышленности, Инженерный вестник Дона, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5300
4. Сергина Н.М., Шуршиков С.В., Илатовский А.С., Лыга Д.В., Статюха И.М. О повышении эффективности систем пылеулавливания в производстве
строительных материалов. - Инженерный вестник Дона, 2018, №4. URL: ivdon. ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5445.
5. Власова О.С., Машенцева И.А. Анализ негативного влияния на окружающую среду предприятий по производству алюминия, Инженерный вестник Дона, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4031
6. Азаров В.Н., Кошкарев С.А., Николенко М.А. Снижение выбросов систем обеспыливания с использованием дисперсионного анализа пыли в строй-индустрии. - Инженерный вестник Дона, 2018, № 1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2015/2838.
7. D. Marchand, Possible Improvement to Dust Collection in Electric Steel Plants and Summary of all Planned and Existing Systems in the Federal Republic of Germany, Ironmaking and Steelmaking 3 (4), 221 p. 230
8. Зинуров И.Ю., Киселев А.Д. Гудим Ю.А. Производство стали в дуговых печах. Конструкции, технологии, материалы: монография, Новосибирск: Изд-во НГТУ,2010.-547с.
9. Алямовский А.А., Собачкин А.А., Одинцова Е.В., Харитонович А.И., Пономарев Н.Б. SolidWorks. Компьютерное моделирование в современной практике, СПб. БХЛ-Петербург, 2005. -800с.
10. Rizzi A.W, Inouye M. Time split finite volume method for three dimensional blunt-body flows.A1AAJournal, v.11, 1973, pp. 1478-1485
References
1.Sergina N.M., Gvozdkov I.A., Sidyakin P.P., Pavlyuk E.G. O rezul'tatah obsledovaniya sistemy udaleniya i ochistki pylevyh vybrosov v atmosferu pri plavke stali v elektrodugovoj pechi DSP-150. Sovremennaya nauka i innovacii, Stavropol', Pyatigorsk, 2015. pp.76-81.
2. Tuluevskij YU. N., Zinurov I. YU. Innovacii dlya dugovyh staleplavil'nyh pechej [Innovations for arc furnaces] Nauchnye osnovy vybora: monografiya, Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2010. p.347.
3. Milicheva N.N., Sablina A.N. Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5300.
4. Sergina N.M., SHurshikov S.V., Ilatovskij A.S., Lyga D.V., Statyuha I.M Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №4. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n4y2018/5445.
5. Vlasova O.S., Mashenceva I.A. Inzhenernyj vestnik Dona, 2017, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n1y2017/4031.
6. Azarov V.N., Koshkarev S.A., Inzhenernyj vestnik Dona, 2018, №1. URL: ivdon.ru/ru/magazine/archive/n 1y2015/2838.
7. D. Marchand, Possible Improvement to Dust Collection in Electric Steel Plants and Summary of all Planned and Existing Systems in the Federal Republic of Germany, Ironmaking and Steelmaking 3 (4), 221. p. 230.
8. Zinurov I.YU., Kiselev A.D. Gudim YU.A. Proizvodstvo stali v dugovyh pechah [Steel production in arc furnaces] Konstrukcii, tekhnologii, materialy: monografiya. Novosibirsk: Izd-vo NGTU, 2010. p.547.
9. Alyamovskij A.A., Sobachkin A.A., Odincova E.V.,YU Haritonovich A.I., Ponomarev N.B. SolidWorks. Komp'yuternoe modelirovanie v sovremennoj praktike [SolidWorks. Computer modeling in modern practice] SPb: BHL-Peterburg, 2005. p. 800.
10. Rizzi A.W, Inouye M. A1AAJournal, v.11, 1973, pp. 1478-1485.
Дата поступления: 25.10.2023 Дата публикации: 8.12.2023
