Производство стали — один из самых ресурсоемких промышленных процессов в мире с точки зрения фильтрации. На одном интегрированном сталелитейном заводе могут быть десятки отдельных точек сбора пыли — спекательные цеха, доменные печи, кислородно-конвертерные печи, электродуговые печи, печи для обжига извести, цеха ковшовой металлургии, литейные линии, прокатные станы — и каждая из них генерирует поток дымовых газов с уникальным сочетанием температуры, пылесодержания, морфологии частиц и химического состава. Фильтровальный мешок, соответствующий требованиям одного места, может оказаться неэффективным в другом, иногда уже через несколько недель.
Это создает проблему, с которой я неоднократно сталкиваюсь на практике: предприятия, которые применяют единую спецификацию фильтровальных мешков к нескольким технологическим точкам, потому что это проще в эксплуатации, затем годами борются с необъяснимыми преждевременными отказами в определенных местах, в то время как в других местах показатели остаются приемлемыми. Отказы не случайны. Они предсказуемы, если понимать химический состав пыли и температурный профиль в каждой точке процесса.
В этой статье рассматриваются проблемы фильтрации на каждом крупном технологическом участке сталелитейного завода, причины выбора стандартных материалов, последствия установки неправильного фильтрующего элемента, а также способы правильной проверки правильности установки фильтровального мешка перед вводом системы в эксплуатацию.
Проблема пыли на сталелитейных заводах — это не одна проблема, а восемь.
Потоки дымовых газов, образующиеся на сталелитейных заводах, практически не имеют общих характеристик, за исключением того, что все они нуждаются в очистке перед попаданием в дымовую трубу. Понимание особенностей каждого из них является основой для правильного выбора фильтрующего материала.
агломерационный завод
Спекание — это процесс агломерации мелкодисперсной железной руды, коксовой мелочи и флюсовых материалов в пористую шихту, пригодную для доменной печи. Отходящие газы из спекательной заготовки содержат мелкие частицы при температурах 120–180 °C, значительные концентрации SO₂ из-за серы в руде и коксе, диоксины и фураны, образующиеся в результате неполного сгорания органических веществ, а также соединения тяжелых металлов, которые испаряются при температурах спекания и конденсируются на частицах по мере охлаждения газа. Сочетание кислых газов, тяжелых металлов и мелких липких частиц при повышенных температурах делает фильтрацию в рукавных пылеулавливающих установках одним из наиболее сложных процессов в отрасли.
Фильтровальные рукава из ПТФЭ Мембраны с ламинированием из ПТФЭ соответствуют требованиям для применения в спекательных установках. Полная химическая инертность ПТФЭ позволяет ему выдерживать воздействие кислых газов и соединений тяжелых металлов без деградации. Поверхность мембраны обеспечивает захват мелких частиц, необходимых для удержания субмикронных конденсированных аэрозольных частиц тяжелых металлов, которые проходят через обычные фильтрующие материалы глубинного типа. Антипригарное покрытие предотвращает образование липкого пылевого налета, характерного для частиц, образующихся в спекательных установках, который может забивать фильтрующий материал и вызывать постепенное увеличение перепада давления в течение рабочего цикла.
PPS иногда используется на агломерационных заводах, где концентрация SO₂ не является экстремальной, а давление со стороны затрат значительно. PPS хорошо справляется с диоксидом серы при соответствующих рабочих температурах, но его стойкость к окислению ограничена — в атмосферах с повышенным содержанием кислорода, что может происходить в некоторых точках сброса сточных вод агломерационных заводов, деградация PPS ускоряется. Если на заводе используется десульфуризация перед рукавным фильтром, это частично меняет расчеты, но проблема аэрозолей тяжелых металлов остается независимо от этого.
Доменная печь
В литейном цехе образуется наиболее зрелищная пыль в сталелитейном производстве — выбросы красно-оранжевого дыма, которые происходят при выпуске расплавленного железа из печи. Эта пыль состоит в основном из оксида железа, образующегося в результате окисления капель и брызг железа при контакте с воздухом. Температура в пылеуловительном колпаке может резко повышаться во время выпуска расплава, но средняя температура газа на входе в рукавный фильтр обычно находится в диапазоне 100–180 °C в зависимости от того, насколько эффективно пылеуловительный колпак улавливает дым и какое количество разбавляющего воздуха подается.
Пыль оксида железа, образующаяся в литейных цехах, химически относительно безвредна, но физически абразивна. Фильтрующие мешки в литейных цехах чаще всего выходят из строя из-за механического истирания на входе в мешок, где высокоскоростной поток газа, насыщенного пылью, вызывает эрозионный износ фильтрующего материала. В этом случае механические свойства фильтрующего материала — прочность на разрыв, износостойкость, структура ткани — имеют большее значение, чем химическая стойкость.
Фильтр-мешки из арамида (номекса) Благодаря сочетанию механической прочности, способности выдерживать непрерывную температуру до 204°C с пиковыми значениями до 250°C и стабильности размеров при термических циклах между выпусками расплава, стекловолокно хорошо зарекомендовало себя в литейных цехах. Стекловолокно также используется, особенно при более высоких температурах, но оно более подвержено механическим повреждениям от абразивного воздействия пыли, характерного для пылеулавливающих цехов. Способ обработки поверхности арамидных материалов — каландрирование, опаливание или мембранное ламинирование — выбирается в зависимости от конкретных требований к выбросам и характеристик пыли на конкретном предприятии.
Вторичные выбросы кислородно-конвертерной печи
Кислородно-конвертерная печь (ККП) является основным сталеплавильным котлом на интегрированных предприятиях. Первичные выбросы — массивный шлейф, образующийся во время продувки кислородом, — обычно отводятся с помощью специальной системы рекуперации газа, а не тканевого фильтра. Инженеров-фильтровщиков волнуют вторичные выбросы: летучая пыль, которая выходит из горловины котла, образуется при разливке и в ковше во время перекачки.
Пыль, образующаяся при вторичных выбросах из конвертеров, преимущественно состоит из оксида железа с примесью оксида кальция, добавляемого в качестве флюса, и собирается при температурах, как правило, в диапазоне 120–200 °C. Основная сложность заключается в переменной пылесодержащей нагрузке — скорость вторичных выбросов достигает максимума во время выпуска и удаления пыли, создавая пиковые нагрузки на рукавный фильтр, которые могут быть в несколько раз выше, чем в стационарном режиме. Фильтрующие материалы для систем вторичной очистки конвертеров должны обладать достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать частоту импульсов очистки, необходимую для управления этими пиковыми нагрузками, при сохранении стабильности размеров при рабочей температуре.
В данном случае стандартным материалом является арамид, а в некоторых областях применения, где рабочая температура контролируется более надежно, используется полипропиленсульфон (PPS). Критически важным моментом для систем вторичной очистки от выбросов в конвертерах является то, что система очистки должна быть правильно настроена на пиковую нагрузку, а не только на среднюю — рукавный фильтр, который адекватно работает в нормальных условиях, но не справляется с пиковой нагрузкой, может привести к нарушениям норм выбросов именно в моменты, когда образуется наибольшее количество пыли.
Электродуговая печь
Электродуговая печь (ЭДП) представляет собой одну из самых сложных сред фильтрации в сталелитейном производстве. Пыль ЭДП представляет собой сложную смесь, в которой преобладает оксид цинка (получаемый из оцинкованного лома), а также оксид железа, соединения свинца, кадмий и другие тяжелые металлы. Содержание цинка достаточно велико, чтобы пыль ЭДП во многих юрисдикциях классифицировалась как опасные отходы и должна рассматриваться как вторичный источник цинка или утилизироваться соответствующим образом.
Температура газа в первичном воздуховоде может достигать 200–300 °C и выше во время фазы плавления, снижаясь по мере разбавления и охлаждения газа перед рукавным фильтром. Рабочий цикл электродуговой печи создает сильно изменчивую нагрузку — температура, расход и пылеобразование существенно меняются между фазами загрузки, плавления, рафинирования и выпуска. Эта изменчивость создает нагрузку на фильтрующие материалы из-за многократных циклов термической обработки и импульсных циклов очистки с переменной частотой.
Фильтровальные мешки из стекловолокна Они соответствуют стандартным характеристикам первичных систем улавливания дымовых газов в электродуговых печах благодаря своей способности выдерживать высокие пиковые температуры во время плавления. Непрерывная работа при температуре до 260 °C с кратковременными пиками до 280–300 °C обеспечивает достаточный запас для колебаний температуры в фазе плавления. Стабильность размеров стекловолокна при термических циклах — и, что особенно важно, низкие значения усадки — означает, что мешки сохраняют свою форму в седлах трубной решетки даже после сотен термических циклов, предотвращая утечку через обходной канал, которая приводит к сбоям в работе установок, использующих низкосортные фильтрующие материалы.
Для систем вторичного улавливания углекислого газа в электродуговых печах и защитных кожухах, где температура ниже и более равномерна, полифениленсульфид (PPS) или арамид могут быть более экономичным вариантом. Выбор зависит от наличия тяжелых металлов в количествах, требующих дополнительной химической стойкости ламинирования ПТФЭ.
печь для обжига извести
Известковые печи на сталелитейных заводах — используемые для производства негашеной извести, применяемой в качестве флюса в сталелитейной промышленности, — при температурах 150–250 °C образуют очень мелкую пыль оксида кальция и карбоната кальция. Известковая пыль гигроскопична: она поглощает влагу из газового потока и может образовывать гидроксид кальция на поверхности мешка, если температура газа приближается к точке росы. Гидроксид кальция липкий и быстро забивает фильтрующий материал пастой, если во время запуска, остановки или снижения нагрузки происходит конденсация.
Гигроскопическое поведение является основным механизмом выхода из строя фильтровальных мешков в известковых печах. На предприятиях, где неоднократно происходят преждевременные отказы пылеулавливающих устройств известковых печей, часто обнаруживается, что проблема заключается в управлении температурой во время запуска и остановки, а не в характеристиках самого фильтрующего материала. Мешки, подвергающиеся воздействию температуры газа ниже точки росы кислоты или ниже точки росы влаги до образования стабильного пылевого слоя, очень подвержены засорению влагоактивированной известковой пастой.
Что касается фильтрующего материала, Фильтровальные мешки из стекловолокна Они подходят для верхнего предела температурного диапазона, а арамидные фильтры могут использоваться в качестве альтернативы при 150–200 °C. Более важным инженерным аспектом является управление тепловыми процессами: адекватная изоляция воздуховодов и корпуса рукавного фильтра для предотвращения падения температуры ниже точки росы, а также процедура запуска, которая доводит систему до рабочей температуры перед подачей технологического газа. Предварительное покрытие известью перед первым запуском обеспечивает важный дополнительный слой защиты для нового фильтрующего материала.
Вращающаяся печь — алюминиевый шлак и вторичная металлургия
Вращающиеся печи для переработки алюминиевого шлака, вторичной выплавки алюминия и других процессов цветной металлургии генерируют потоки пыли, содержащие реакционноспособные соединения оксида алюминия, наряду с дымовыми газами от сжигания топлива. Загрязнение пылью и температурный профиль в значительной степени зависят от конкретного перерабатываемого материала и режима работы печи.
Примером, хорошо иллюстрирующим это применение, является предприятие по переработке алюминиевого шлака, столкнувшееся с проблемой несоответствия нормам выбросов в одном из рукавных фильтров вращающейся печи. В ходе обследования на месте было установлено, что установленные фильтрующие мешки не обеспечивают необходимую эффективность фильтрации для соответствия сверхнизкому уровню выбросов 10 мг/Нм³. Анализ волокон исходного фильтрующего материала с помощью сканирующего электронного микроскопа показал деградацию, соответствующую химическому воздействию реактивных соединений дымовых газов — характеристики фильтрующего материала оказались неадекватными для реальной химической среды.
Решением стала замена фильтровальных мешков из ПТФЭ с высокой точностью фильтрации, которые сочетали в себе способность улавливать мелкие частицы, необходимую для достижения целевого уровня выбросов менее 10 мг/Нм³, с химической стойкостью, обеспечивающей надежную работу в среде реактивных газов. После установки система была введена в эксплуатацию с использованием флуоресцентного порошкового индикатора для обнаружения утечек и подтверждения ее целостности перед повторным вводом в эксплуатацию. Через месяц после ввода в эксплуатацию независимая лаборатория по тестированию дымовых газов измерила фактические выбросы на уровне 1 мг/Нм³ — что значительно ниже предела в 10 мг/Нм³.
Главный урок, извлеченный из этого случая, заключается в том, что неудача при проведении испытаний на выбросы в вращающейся печи не обязательно означает проблему с целостностью мешков. Она может также означать проблему с точностью фильтрации — мешки целы и герметично запечатаны, но фильтрующий материал недостаточно мелкий, чтобы улавливать субмикронные частицы, присутствующие в газовом потоке. Анализ волокон с помощью сканирующего электронного микроскопа помогает различить эти виды отказов, которые требуют совершенно разных подходов к устранению проблемы.
Почему ламинирование мембраны из ПТФЭ меняет уравнение производительности
На всех описанных выше технологических участках сталелитейных заводов ламинирование мембраной из ПТФЭ на базовый фильтрующий материал — будь то стекловолокно, арамид или ППС — изменяет механизм фильтрации таким образом, что это имеет существенные эксплуатационные последствия.
Традиционные фильтрующие мешки из иглопробивного войлока работают по принципу глубинной фильтрации: частицы проникают в волокнистую матрицу и задерживаются внутри структуры фильтрующего материала. Фильтрующий мешок глубинной фильтрации достигает своей проектной эффективности только после образования устойчивой пылевой корки на поверхности — начальный период после установки или после тщательной очистки характеризуется более высокой степенью проникновения частиц до тех пор, пока корка не восстановится. Это объясняет, почему выбросы часто достигают пика на короткое время после цикла очистки в хорошо функционирующем фильтрующем устройстве глубинной фильтрации, и почему период сразу после установки нового мешка является периодом наибольшего риска превышения допустимых норм выбросов.
Ламинирование мембраны из ПТФЭ преобразует этот процесс в поверхностную фильтрацию. Двуосно растянутая мембрана из ПТФЭ — с плотностью пор порядка 10⁹ пор на см² и размером пор в диапазоне 0.3–1 мкм — улавливает частицы на поверхности ткани, а не внутри волокнистой структуры. Это означает, что мешок достигает заданных показателей выбросов уже с первого рабочего цикла после установки, без необходимости образования пылевого осадка. Что еще более важно, импульсы очистки не вызывают кратковременных скачков выбросов, наблюдаемых при использовании фильтрующих материалов с глубинной фильтрацией, поскольку фильтрацию осуществляет поверхность, а не пылевой осадок.
Для сталелитейных заводов, где действуют сверхнизкие требования к выбросам — что становится все более распространенным явлением по мере ужесточения экологических норм, — ламинирование мембранами из ПТФЭ часто является решающим фактором между надежным соблюдением предельного уровня выбросов и работой в условиях, когда изменчивость процесса иногда приводит к превышению допустимых значений.
Ограничением при использовании мембран из ПТФЭ является их износостойкость. Мембрана представляет собой тонкую пленку, ламинированную на базовую ткань, и она уязвима к механическим повреждениям от высокоабразивной пыли, воздействующей с высокой скоростью. В таких областях применения, как литейные цеха доменных печей, где пыль крупная, угловатая и достигает входного отверстия мешка со значительной кинетической энергией, со временем может произойти повреждение мембраны. Для таких применений немемантарная среда с соответствующими входными перегородками для отвода газового потока от прямого воздействия мешка часто является лучшим инженерным решением, чем ламинирование мембраны.
Ввод в эксплуатацию и обнаружение утечек: этап, который пропускает большинство предприятий.
Установка правильных фильтрующих мешков в надлежащим образом обслуживаемом рукавном фильтре необходима, но недостаточна для достижения показателей выбросов, на которые рассчитана система. Каждая установка создает возможности для утечек: неправильно установленные воротники мешков, поврежденные мешки во время транспортировки, неровности поверхности трубной решетки, препятствующие полному герметичному закрытию, и уплотнители дверцы доступа, которые не были должным образом заменены.
Единственный надежный способ проверить целостность установки перед вводом системы в эксплуатацию — это обнаружение утечек с помощью флуоресцентного порошкового трассера. Порошок трассера — мелкодисперсные флуоресцентные частицы — вводится в отсеки рукавного фильтра и притягивается к любым местам утечек за счет перепада давления. Осмотр воздухораспределительного коллектора под ультрафиолетовым светом позволяет с высокой точностью определить место утечки: точное отверстие в трубной решетке, где воротник рукава не герметичен, конкретный рукав с повреждением при транспортировке, дверца доступа, где требуется регулировка уплотнения.
Для систем со сверхнизкими требованиями к уровню выбросов — что часто встречается на сталелитейных заводах по мере ужесточения нормативных стандартов — обнаружение утечек с помощью флуоресцентного индикаторного порошка Обнаружение утечек перед запуском обязательно. Одна-единственная протечка в рукаве мешка в большом отсеке может привести к измеримым превышениям допустимых выбросов, которые проявляются как рассеянное общее увеличение концентрации в дымовой трубе, а не как идентифицируемый дискретный источник. Без этапа обнаружения утечек устранение подобных проблем после запуска крайне затруднительно.
Предварительное покрытие порошком извести или карбоната кальция перед первым запуском после замены рукава выполняет дополнительную функцию: оно образует защитный слой на поверхности нового рукава, предотвращая попадание первой порции технологической пыли — зачастую самой мелкой и проникающей — в рукав и ее засорение до образования стабильного рабочего пылевого слоя. На сталелитейных заводах, где пыль мелкая, а требования к выбросам жесткие, предварительное покрытие снижает риск превышения допустимых выбросов в течение периода установки, который часто возникает при использовании новых рукавов без покрытия.
Сводная информация о выборе фильтрующих материалов в зависимости от технологического процесса на металлургическом заводе.
В таблице ниже обобщены рекомендации по техническим характеристикам, рассмотренные выше. Ее следует рассматривать как исходную основу, а не как абсолютную спецификацию — для фактического выбора требуется анализ конкретной температуры газа, его химического состава, пылезащиты и требований к выбросам на конкретном объекте.
| Место проведения процесса | Диапазон температур | Основная задача | Рекомендуемые СМИ |
|---|---|---|---|
| агломерационный завод | 120-180 ° С | SO₂, тяжелые металлы, мелкая липкая пыль | Фильтровальные рукава из ПТФЭ с мембраной |
| Доменная печь | 100-180 ° С | Истирание, термоциклирование | Фильтровальные мешки из арамида |
| вторичные выбросы BOF | 120-200 ° С | Переменная загрузка пылью, оксид железа | Арамид или ППС |
| Электродуговая печь (первичная) | 200-300 ° С | Высокие пики температуры, цинк/тяжелые металлы | Фильтровальные мешки из стекловолокна с мембраной из ПТФЭ |
| печь для обжига извести | 150-250 ° С | Гигроскопичная пыль, риск образования конденсата | Стекловолокно (высокотемпературный материал) / Арамид (низкотемпературный материал) |
| Вращающаяся печь (вторичная металлургия) | 150-250 ° С | Улавливание мелких частиц, химическое воздействие | ПТФЭ или Фильтровальные мешки P84 |
Свяжитесь с компанией Omela Filtration
Компания Omela Filtration поставляет пылесборные фильтрующие мешки для всего спектра применений на сталелитейных и металлургических заводах — спекание, доменные печи, конвертеры, электродуговые печи, печи для обжига извести, вращающиеся печи и системы транспортировки материалов. Наша инженерная команда обеспечивает подбор фильтрующих материалов с учетом специфики процесса, оценку состояния оборудования на месте, монтажные работы и обнаружение утечек порошка с помощью флуоресцентных красителей.
Автор
Jessica Ма – старший инженер по фильтрации, компания Omela Filtration.
Jessica Ма — старший инженер-фильтратор в компании Omela Filtration, специализирующаяся на фильтрации пыли и жидкостей. Обладая более чем 15-летним опытом, она занимается оптимизацией работы рукавных фильтрующих установок, повышением эффективности фильтрации и разработкой высокоэффективных решений для промышленных пылеуловителей и систем прецизионной фильтрации жидкостей.