Комплексная очистка отходящих газов шахтной печи производства медной катанки: каталитические решения в удалении монооксида углерода СО
Решения по очистке отходящих газов от СО в металлургии
В технологическом переделе производства медной катанки, а именно при плавке медных катодов или вторичного сырья в шахтных печах - вертикальных плавильных агрегатах -, система газоочистки является критическим звеном, обеспечивающим не только соблюдение природоохранных нормативов, но и промышленную безопасность всего предприятия. Отходящие газы шахтной печи представляют собой сложную многокомпонентную систему, характеризующуюся высокой начальной температурой (800–1200 °C), значительной запыленностью, наличием токсичных газовых компонентов (монооксид углерода, диоксид серы, диоксиды азота) и, при использовании лома с органическими покрытиями, потенциальной эмиссией диоксинов, фуранов, бензапиренов.
В таблице ниже представлены типичные значения газовых компонентов и пыли для предприятий, которые используют медные катоды в качестве сырья:
№ | Компонент | Диапазон концентраций, мг/нм3 | Требование норматива, мг/нм3* |
1. | Меди оксид (в пересчете на медь) | 30-100 | < 15 |
2. | Азота диоксид (Азот (IV) оксид) | 80-200 | <130 |
3. | Азот (II) оксид (Азота оксид) | 80-200 | < 170 |
4. | Серы диоксид | 100-300 | < 300 |
Углерод оксид | 500-6000 | < 300 | |
Пыль неорганическая | 50-1000 | < 20 |
Для того чтобы не оснащать источник выбросов системой автоматического контроля, необходимо обеспечить такие концентрации, которые бы не превышали пороговые значения, установленные в требованиях к установке создания и эксплуатации системы автоматического контроля выбросов загрязняющих веществ и (или) сбросов загрязняющих веществ утверждены постановлением Правительства Российской Федерации от 13.03.2019 N 262.
Согласно данному постановлению, установка автоматического контроля выбросов вещества на источнике не требуется в случае не превышения следующих характеристик массового выброса:
Согласно данному постановлению, установка автоматического контроля выбросов вещества на источнике не требуется в случае не превышения следующих характеристик массового выброса:
- взвешенные вещества – 3 кг/ч;
- серы диоксид – 30 кг/ч;
- оксиды азота (сумма азота оксида и азота диоксида) – 30 кг/ч;
- углерода оксид как показатель полноты сгорания топлива – 5 кг/ч.
№ | Компонент | Концентрация, мг/нм3 |
1. | Взвешенные вещества, пыль | < 100 |
2. | Серы диоксид SO2 | < 1000 |
3. | Оксиды азота NOx | < 1000 |
4. | Углерода монооксид СО | < 170 |
Основа системы газоочистки (ГОУ) при производстве медной катанки
Основу современной системы газоочистки (ГОУ) составляет многоступенчатая схема, построенная по принципу последовательного снижения температуры и концентраций загрязнителей. В некоторых случаях дополнительно используется рекуперация остаточного тепла.
Первой стадией после выхода газа из печи, как правило, является камера дожигания. Ее наличие обязательно в случаях переработки лакокрашенного лома, так как она выполняет две ключевые функции: термическое окисление органических загрязнителей при температуре не менее 1100 °C и дожигание монооксида углерода (CO) до нейтрального диоксида углерода.
Монооксид углерода в шахтных печах образуется либо как продукт неполного сгорания топлива, либо в результате реакций газификации углерода, присутствующего в шихте:
2CH4 + 3O2 = 2CO +4H2O
C+CO2 = 2CO (реакция Будуара)
Поскольку CO не улавливается ни рукавными/керамическими фильтрами, ни скрубберами, термическое дожигание в высокотемпературной зоне является одним из распространенных способов его удаления, обеспечивающим эффективность конверсии более 99%. Если температура газов на выходе из печи падает ниже 800°C, приходится включать дополнительные горелки в камере дожигания, что увеличивает эксплуатационные расходы.
Особого внимания заслуживает проблема очистки от монооксида углерода в случаях, когда способ высокотемпературного дожигания невозможен по технологическим причинам или требует чрезмерных затрат топлива. В таких ситуациях рассматривается установка каталитического реактора окисления сразу после шахтной печи или после рукавного или керамического фильтра.
Рассмотрим схему ГОУ на примере производственной линии медной катанки компании Southwire.
Первой стадией после выхода газа из печи, как правило, является камера дожигания. Ее наличие обязательно в случаях переработки лакокрашенного лома, так как она выполняет две ключевые функции: термическое окисление органических загрязнителей при температуре не менее 1100 °C и дожигание монооксида углерода (CO) до нейтрального диоксида углерода.
Монооксид углерода в шахтных печах образуется либо как продукт неполного сгорания топлива, либо в результате реакций газификации углерода, присутствующего в шихте:
2CH4 + 3O2 = 2CO +4H2O
C+CO2 = 2CO (реакция Будуара)
Поскольку CO не улавливается ни рукавными/керамическими фильтрами, ни скрубберами, термическое дожигание в высокотемпературной зоне является одним из распространенных способов его удаления, обеспечивающим эффективность конверсии более 99%. Если температура газов на выходе из печи падает ниже 800°C, приходится включать дополнительные горелки в камере дожигания, что увеличивает эксплуатационные расходы.
Особого внимания заслуживает проблема очистки от монооксида углерода в случаях, когда способ высокотемпературного дожигания невозможен по технологическим причинам или требует чрезмерных затрат топлива. В таких ситуациях рассматривается установка каталитического реактора окисления сразу после шахтной печи или после рукавного или керамического фильтра.
Рассмотрим схему ГОУ на примере производственной линии медной катанки компании Southwire.
Система газоочистки производства медной катанки Southwire
Отходящий газ от шахтной печи содержащий CO, пыль (CuO, оксиды кремния), NOx, SO2 при температуре 320-380 ⁰С сразу поступает на каталитический дожигатель.
Перед входом в дожигатель газ разбавляется воздухом для повышения концентрации кислорода и снижения температуры. Каталитический дожигатель состоит из реактора, горелки, газодувки. В реакторе происходит доокисление СО до СО2, при этом температура потока на выходе нагревается до 400-450 ⁰С.
Далее поток охлаждается до 250 ⁰С, происходит искрогашение и осаждение пыли и газ поступает на рукавные или керамические фильтры для финишного удаления пыли. Очищенный газ поступает в дымовой трубу.
Таким образом, текущая система очистки состоит из трех последовательных ступеней:
Перед входом в дожигатель газ разбавляется воздухом для повышения концентрации кислорода и снижения температуры. Каталитический дожигатель состоит из реактора, горелки, газодувки. В реакторе происходит доокисление СО до СО2, при этом температура потока на выходе нагревается до 400-450 ⁰С.
Далее поток охлаждается до 250 ⁰С, происходит искрогашение и осаждение пыли и газ поступает на рукавные или керамические фильтры для финишного удаления пыли. Очищенный газ поступает в дымовой трубу.
Таким образом, текущая система очистки состоит из трех последовательных ступеней:
- Каталитический дожигатель
- Искрогаситель (пылеосадительная камера)
- Рукавный/керамический фильтр
1- клапан дымовой трубы печи
2- подача кислорода или воздуха
3- вход в каталитический дожигатель (горелка+газодувка)
4- выход из каталитического дожигателя
5- охлаждение потока
6- подача воздуха и контроль температуры
7- искрогаситель (отделение тлеющих частиц)
8- очищенный газ в дымовую трубу
2- подача кислорода или воздуха
3- вход в каталитический дожигатель (горелка+газодувка)
4- выход из каталитического дожигателя
5- охлаждение потока
6- подача воздуха и контроль температуры
7- искрогаситель (отделение тлеющих частиц)
8- очищенный газ в дымовую трубу
Основная трудность в представленной схеме заключается в том, что запыленный отходящий газ подается на катализатор. Как показывает опыт, при концентрациях пыли более 1 мг/нм3 сферический катализатор отравляется в течение нескольких месяцев вне зависимости от производителя. В этом случае требуется применение блочных сотовых пылестойких катализаторов, способных к пропусканию пыли до нескольких грамм на нм3.
В качестве основного аппарата тонкой очистки на сегодняшний день используются импульсные рукавные или керамические фильтры, которые зарекомендовали себя как наиболее эффективное средство достижения норматива содержания пыли менее 10 мг/нм³. В этом случае установка каталитического блока после фильтров выглядит перспективно.
В качестве основного аппарата тонкой очистки на сегодняшний день используются импульсные рукавные или керамические фильтры, которые зарекомендовали себя как наиболее эффективное средство достижения норматива содержания пыли менее 10 мг/нм³. В этом случае установка каталитического блока после фильтров выглядит перспективно.
1 – Печь плавки катодной меди
2 – Камера догревания
3 – Теплообменный аппарат
4 – Керамический фильтр (ФКИ)
5 – Дымосос
6 – Вентилятор
7 – Блочный катализатор
К1-К2 – клапаны
А – группа датчиков (ДД1)
В – группа датчиков (ДТ1)
С – группа датчиков (ДД2)
D – группа датчиков (ДД3)
E – группа датчиков (ДТ2)
F – группа датчиков (ДТ3)
G – группа датчиков (ДТ4)
Т1-Т5 – места отбора проб.
2 – Камера догревания
3 – Теплообменный аппарат
4 – Керамический фильтр (ФКИ)
5 – Дымосос
6 – Вентилятор
7 – Блочный катализатор
К1-К2 – клапаны
А – группа датчиков (ДД1)
В – группа датчиков (ДТ1)
С – группа датчиков (ДД2)
D – группа датчиков (ДД3)
E – группа датчиков (ДТ2)
F – группа датчиков (ДТ3)
G – группа датчиков (ДТ4)
Т1-Т5 – места отбора проб.
Очистка отходящих газов от диоксида серы при производстве медной катанки
Вопрос очистки от диоксида серы (SO₂) зависит исключительно от состава сырья. При плавке чистых катодов (медь марки М00к) содержание серы в газах минимально и определяется лишь серой, содержащейся в природном газе, используемом в горелках. В таких случаях установка десульфуризации не требуется. Однако если в шихте присутствует вторичное сырье с высоким содержанием сернистых соединений или если технологический процесс предусматривает использование сульфидных концентратов, необходимо применение методов полусухой или мокрой абсорбции. Наиболее технологичным в этом контексте является метод полусухой абсорбции с впрыском известкового молока (Ca(OH)₂) в газоход перед рукавным фильтром, где происходит реакция связывания SO₂ с образованием сульфита и сульфата кальция. Преимуществом этого метода является отсутствие жидких стоков и возможность использования одного аппарата (рукавного фильтра) для одновременного улавливания как пыли, так и продуктов десульфуризации.
Очистка отходящих газов от оксидов азота при производстве медной катанки
Очистка от диоксидов азота NOx мало актуальна для данных типов технологических агрегатов. В случае возникновения потребности, используются способы каталитического восстановление оксидов азота аммиак-содержащими соединениями. Количество оксидов азота увеличивается при использовании термического дожига монооксида углерода в силу протекания реакции окисления азота кислородом воздуха при температурах 800-1200С:
N2+O2 = 2NO
2NO + O2 = 2NO2
N2+O2 = 2NO
2NO + O2 = 2NO2
Выводы
Таким образом, многоступенчатая схема — единственный способ достичь нормативных показателей.
Отходящие газы шахтной печи характеризуются высокой температурой (до 1200 °C), сложным многокомпонентным составом (пыль оксидов меди, CO, SO₂, диоксины) и значительной запыленностью. Эффективная очистка возможна только при использовании последовательной схемы: камера дожигания → испарительное охлаждение → грубая очистка (циклоны) → рукавный фильтр с антистатическими элементами. Попытки упростить систему (например, исключить стадию дожигания или использовать только циклоны) приводят к несоответствию выбросов нормативам и созданию аварийных рисков.
Очистка от монооксида углерода требует термического или каталитического воздействия.
CO не улавливается механическими или мокрыми фильтрами. Наиболее надежным методом является термическое дожигание при температуре не менее 900–1000 °C в специальной камере, что одновременно обеспечивает разложение органических загрязнителей (диоксинов). Каталитическое окисление возможно только при условии глубокой предварительной очистки газов от медной пыли, которая отравляет катализаторы, что на практике реализуется сложнее и экономически оправдано реже.
Состав шихты определяет необходимость десульфуризации и влияет на класс опасности пыли.
При плавке чистых катодов система удаления SO₂ не требуется, однако при использовании вторичного сырья (лакированный лом) возникает необходимость в полусухой абсорбции (известковое молоко) и ужесточении мер взрывобезопасности из-за присутствия органических компонентов.
Интеграция процессов газоочистки и утилизации тепла повышает энергоэффективность. Современные решения предполагают не просто очистку, а использование тепла отходящих газов и дожигания CO для рекуперации (нагрев воздуха для горелок, производство пара. Это позволяет снизить эксплуатационные затраты и повысить коэффициент извлечения металла, что соответствует принципам наилучших доступных технологий (НДТ).
Отходящие газы шахтной печи характеризуются высокой температурой (до 1200 °C), сложным многокомпонентным составом (пыль оксидов меди, CO, SO₂, диоксины) и значительной запыленностью. Эффективная очистка возможна только при использовании последовательной схемы: камера дожигания → испарительное охлаждение → грубая очистка (циклоны) → рукавный фильтр с антистатическими элементами. Попытки упростить систему (например, исключить стадию дожигания или использовать только циклоны) приводят к несоответствию выбросов нормативам и созданию аварийных рисков.
Очистка от монооксида углерода требует термического или каталитического воздействия.
CO не улавливается механическими или мокрыми фильтрами. Наиболее надежным методом является термическое дожигание при температуре не менее 900–1000 °C в специальной камере, что одновременно обеспечивает разложение органических загрязнителей (диоксинов). Каталитическое окисление возможно только при условии глубокой предварительной очистки газов от медной пыли, которая отравляет катализаторы, что на практике реализуется сложнее и экономически оправдано реже.
Состав шихты определяет необходимость десульфуризации и влияет на класс опасности пыли.
При плавке чистых катодов система удаления SO₂ не требуется, однако при использовании вторичного сырья (лакированный лом) возникает необходимость в полусухой абсорбции (известковое молоко) и ужесточении мер взрывобезопасности из-за присутствия органических компонентов.
Интеграция процессов газоочистки и утилизации тепла повышает энергоэффективность. Современные решения предполагают не просто очистку, а использование тепла отходящих газов и дожигания CO для рекуперации (нагрев воздуха для горелок, производство пара. Это позволяет снизить эксплуатационные затраты и повысить коэффициент извлечения металла, что соответствует принципам наилучших доступных технологий (НДТ).
Читайте также:
Основные технологии очистки отходящих газов
Экономическое сравнение термического дожига и каталитического окисления
Сотовые катализаторы окисления: от автомобильных нейтрализаторов к промышленной очистке газов
Пылестойкость катализаторов очистки ЛОС: от выбора формы до оптимизации структуры
Будем рады диалогу и сотрудничеству!
Оставьте контактные данные — мы свяжемся с вами в ближайшее время и предложим решение.