Очистка газовых выбросов при производстве цемента

В прошлом использовались различные обеспыливающие устройства, а с 2007 году главными обеспыливающими установками стали рукавные фильтры, электрофильтры или их сочетание, так называемые гибридные фильтры. В некоторых случаях сообщалось об использовании мембранных фильтров, но не на цементных заводах. Выбросы неорганизованной пыли при переработке и складировании, при дроблении и помоле сырьевых материалов и топлива могут быть весьма значительными.

Электрофильтры и рукавные фильтры имеют свои преимущества и недостатки. В период нормальной работы оба вида пылеуловителей работают с высокой эффективностью. В специальных условиях, когда имеется повышенная концентрация СО, вызванная неожиданные осложнения в работе печи, включением-выключением печи из-за подачи или прекращения питания из сырьевой мельницы, эффективность работы электрофильтра значительно снижается, в то время как эффективность рукавных фильтров подвержена воздействию этих факторов в меньшей степени. Однако при использовании электрофильтра появление СО может быть минимизировано. Электрофильтры и рукавные фильтры имеют высокий коэффициент полезного действия, выше 99 % в зависимости от размера частиц. Оба типа пылеулавливающих устройств периодически должным образом обслуживаются чтобы обеспечить необходимую эффективность.

В зависимости от температуры отходящих газов применяются различных виды фильтрующих материалов. Неудобства рукавных фильтров заключаются в том, что использованные фильтровальные рукава являются отходами и должны размещаться в соответствии с национальными инструкциями.

 

 

 

 

Таблица 1. Обзор технических решений для контроля выбросов пыли в цементном производстве[6].

 

Технические решения	Применимость	Данные выбросов		Стоимость
		мг/нм	кг/т	Инвестиции	Эксплуата- ционные
				млн.евро	евро/т клинкера
1	2	3	4	5	6
Электрофильтры	все печные систем	10 - <20	0,02 - 0,05	2,1 - 6,0	0,1 - 0,2
	клинкерные холодильники	10 - <20	0,02 - 0,05	0,8 - 1,2	0,09 - 0,18
	цементные мельницы	<10	0,02	0,8 - 1,2	0,09 - 0,18
Рукавные фильтры	все печные системы	<10	0,02	2,1 - 6,0	0,15 - 0,35
	клинкерные холодильники	<10	0,02	1,0 - 1,4	0,1 - 0,15
	мельницы (сырьевые, цементные, угольные)	<10	0,02	0,3 - 0,5	0,03 - 0,04
Гибридные фильтры	все печные системы; клинкерные холодильники; цементные мельницы	10 - <20	0,02 - 0,05
Снижение диффузной пыли	все заводы	-	-	-	-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Очистка выбросов от пыли с помощью электрофильтра.

Описание и достигнутые эффекты по защите окружающей среды

Электрофильтры генерируют электрическое поле вокруг проходящих частиц в воздушном потоке. Частицы становятся отрицательно заряженными и мигрируют к положительно заряженным осадительным электродам. Эти осадительные электроды за счет периодического встряхивания или вибраций высвобождают осевшую на них пыль, которая падает вниз, в бункер-коллектор. Циклы встряхивания электродов оптимизируются чтобы минимизировать унос и тем самым довести до минимума пылевынос. Электрофильтры характеризуются их способностью работать при высокой температуре (вплоть до 400◦С) и высокой влажности обеспыливамых газов.

Качество работы электрофильтров зависит от различных эксплуатационных параметров, приведенных ниже:

• влажности газа;

• химического состава газа;

• скорости газового поток;

• распределения частиц по размерам и их химического состава;

• электрического сопротивления частиц;

• уровня загрузки;

• температуры газа;

• операций включения − выключения;

• напряженности электрического поля;

• площади и формы электродов;

• концентрации SO2;

• содержание влаги в осаждаемой пыли;

• промежуточных или переходных режимов работы.

Работа электрофильтра может быть ухудшена при образовании наростов материала на изоляционном слое электродов и, как следствие, за счет снижения напряженнности электрического поля. Это может случиться при наличии большого количества хлора и сульфатов в печи, образующих с щелочными металлами хлориды и сульфаты. Хлориды щелочных металлов образуют субмикроскопические частицы пыли (0,1–1мкм), имеющие высокое удельное сопротивление (1012–1013 ом/см) и образующие слои на электродах и таким образом вызывающие проблему удаления пыли[7].

Проблемы высокого сопротивления могут быть частично решены за счет впрыскивания воды в холодильник – кондиционер дымовых газов. Другим путем решения этой проблемы является использование рукавных фильтров.

Эффекты воздействия на различные компоненты окружающей среды:

1) Могут образоваться хлориды щелочных металлов и сульфатов в форме частиц пыли субмикроскопического размера.

2) Повышается риск взрыва при увеличении концентрации СО

3) Потребление электрической энергии увеличивается с повышением эффективности пылеулавливания.

4) При выполнении работ по обслуживанию электрофильтра могут появиться дополнительные отходы.

5) Пыль может быть повторно использована.

Эксплуатационные данные

Электрофильтры большого размера совместно с системой кондиционирования обеспыливаемых газов при оптимизации режима работы могут снизить среднемесячное пылевыделение до 5 − 15 мг/нм3 (сухой газ, 273 К, 10 % О2). Проектная эффективность обеспыливания в таких электрофильтрах − выше 99,99 %, поэтому выбросы пыли имеют небольшую величину, всего несколько мг/нм3. Электрофильтры весьма эффективны для улавливания ультрамелких частиц (< 0,5 мкм), придающих частицам способность агломерироваться. Электрофильтры являются мощным и эффективным оборудованием, относительно интенсивно распространенным в технологическом процессе. Существующие электрофильтры часто могут быть усовершенствованы без полной замены, что снижает стоимость работ по модернизации. Эта модернизация может касаться монтажа более современных электродов или автоматического контроля напряжения на старых установках. В дополнение можно улучшить прохождение газа через электрофильтр или установить дополнительной секции. В 2006 году многие удачные конструкции электрофильтров достигли выбросов пыли на уровне менее 10 мг/нм3. Электрофильтры с выбросами менее 10 мг/нм3 могут быть построены с применением современных средств контроля процесса, применением высокого напряжения на электродах, надлежащих габаритов и необходимого количества полей.

Кроме пыли электрофильтры удаляют вещества, адсорбированные на частицах пыли, такие, как диоксины и металлы при их наличии в пыли.

Размер и потребление электрической энергии электрофильтров растет экспоненциально со снижением содержания пыли в очищенном газе. Оптимальная работа электрофильтра зависит от температуры и влажности обеспыливаемого газа. Продолжительность работы электрофильтра может достигать несколько десятилетий при обеспечении всех рекомендуемых условий обслуживания и ремонта. Некоторые части (молотки, подшипники) необходимо регулярно менять после нескольких лет эксплуатации как часть периодического обслуживания и ремонта.

В электрофильтрах происходит ионизация молекул газового потока, проходящего

между двумя электродами, к которым подведен постоянный электрический ток.

Основные элементы электрофильтра - коронирующие и осадительные электроды. Отрицательное напряжение обычно подводят к коронирующему электроду, а положительное - к осадительному. Поэтому к осадительным электродам под действием разности потенциалов движутся только отрицательные ионы и свободные электроны. Последние на своем пути сталкиваются со взвешенными в газовом потоке мелкими твердыми или жидкими частицами, передают им отрицательные заряды и увлекают к осадительным электродам. Подойдя к осадительному электроду, частицы пыли или тумана оседают на нем, разряжаются и при встряхивании отрываются от электрода под действием собственной силы тяжести (см. рис.1).

Рис.1. Пластинчатый электрофильтр:

1 – коронирующие электроды; 2 –  пластинчатые осадительные электроды; а – входной газоход; б – выходной газоход; в – камера.

Применимость

Вследствие их высокой эффективности, низкого гидравлического сопротивления, высокой работоспособности и энергетической эффективности электрофильтры становятся наиболее успешными установками для улавливания пыли из отходящих газов вращающихся печей и клинкерного холодильника. Электрофильтры могут быть использованы почти в каждой цементной печи для удаления пыли из отходящих газов, газов из системы байпаса и воздуха из колосникового холодильника[8].

Анализ литературных данных показывает, что нет ограничений для применения электрофильтров в различных способах производства цементной промышленности. Однако электрофильтры не часто используются для улавливания пыли при помоле цемента, потому что в этом случае инвестиционная стоимость повышается, а эффективность обеспыливания (относительно высокие выбросы пыли) снижается при неполадках в работе и операциях пуска – остановки оборудования.

Электрофильтры характеризуются способностью работать в условиях высоких температур (до 400◦С) и высокой влажности. Основной неполадкой в этом случае является снижение их эффективности вследствие нарастания слоя материала на поверхности электродов, вызываемого повышенным содержанием хлоридов и сульфатов. Для общего повышения эффективности работы электрофильтров важно предотвратить появление СО в обеспыливаемых газах. В некоторых случаях электрофильтры могут отключаться при появлении СО в обеспыливаемых газах для обеспечения безопасности.

Экономика

В 2000 году инвестиционная стоимость нового электрофильтра для печи с производительностью 3000 т клинкера в сутки с начальной величиной выбросов 500 г/нм3 и с содержанием пыли в чистом газе 10 − 50 мг/нм3 была 1,5 − 3,8 млн.евро и дополнительно при необходимости использования башни кондиционирования и дымососа – 0,6 − 0,8 млн.евро. Эксплуатационная стоимость для той же печи составляла 0,1 − 0,2 евро на тонну клинкера. Инвестиционная стоимость электрофильтра для клинкерного холодильника производительностью 3000 т/сутки с начальным значением выбросов в пределах 20 г/нм3 и концентрацией пыли в очищеном газе 10 − 50 мг/нм3, а также для цементной мельницы производительностью 160 т/сутки, начальным уровнем выбросов до 300 г/нм3 и концентрацией пыли в чистом газе 10 – 50 мг/нм3 находилась в пределах 0,8 – 1,2 млн. евро; эксплуатационная стоимость – от 0,09 до 0,18 евро на тонну клинкера. В 2006 году инвестиционная стоимость электрофильтра для обеспыливания отходящих газов (печь производительностью 3000 т/сутки) была в пределах 4,5 – 6,0 млн. евро. Широкий диапазон стоимости зависит от местных производственных условий, стоимости сооружения (являющейся очень значительной) и размера печи и электрофильтра. Стоимость установки и эксплуатации обычно низкая. Различие зависит от местной оценки потребления энергии и стоимости установки[9].

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Расчет электрофильтра.

Технологический расчет электрофильтра заключается в расчете площади его активной зоны по заданному количеству очищаемого газа и рекомендуе-мой скорости его в электрофильтре, определении электрических параметров работы электрофильтра и эффективности очистки газа в нем.

     Порядок расчета.

1) Выбирается тип электрофильтра.

2) Задается скорость газа в электрофильтре.

3) Определяется площадь активного сечения электрофильтра по формуле:

                                                                                              (1)

 

4) Выбирается по каталогу типоразмер электрофильтра с активной площадью близкой к расчетной площади F.

5) По величине активной площади Fa  выбранного  электрофильтра уточняется скорость  газа в электрофильтре по формуле

                                               v = V / Fa∙3600                                    (2)          

6) Вычисляется коэффициент β выражающий отношение плотности газов в рабочих условиях к их плотности при t = 20 0C  и p = 101,3 кПа:

 

                                                                                          (3)

 

где рбар барометрическое давление, Па; р – избыточное давление или разряжение в газоходе перед электрофильтром, Па; t – температура газа оС.

7) Критическую напряженность электрического поля при отрицательной короне рассчитываем по формуле

 

, В/м                  (4)

где β – отношение плотности газа в рабочих условиях к плотности газа при температуре 20оС и р=101,3 кПа

8) Критическое напряжение короны или разность потенциалов между корони-рующим и осадительным электродами рассчитываем по формуле

 

                                (5)

где Н – расстояние между коронирующими и осадительными электродами, м;   d – рассто-яние между соседними коронирующими электродами в ряду,м.

 

Параметр d  определяется по таблице 2.

 

Таблица 2 – Значения параметра d для электрофильтров серии УГ

Марка электро-фильтра	УГ2-2-10; УГ1-3-10; УГ1-2-15; УГ1-315	УГ2-4-74	УГ3-3-26; УГ3-4-26	УГ2-4-74	УГ3-3-88; УГ3-4-88	УГ2-3-26; УГ3-4-88	УГ2-3-26 УГ2-3-53 УГ2-4-26 УГ3-3-ИБ	УГ2-3-37 УГ2-4-37 УГ2-3-74 УГ2-4-53	УГ3-3-177 УГ3-4-177	УГ3-3-230 УГ3-4-230 УГ3-3-265 УГ3-4-265
d,м	0.23	0,19	0,17	0,15	0.14	0.12	0,11	0,1	0,1	0,1