СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ОТХОДЯЩИХ ГАЗОВ Российский патент 1997 года по МПК B03C3/17 

Изобретение относится к черной и цветной металлургии и может быть использовано для очистки отходящих газов промышленных печей преимущественно черной и цветной металлургии, т.е. электросталеплавильных печей, конверторов т. д. а также систем ликвидации методом сжигания токсичных, взрывоопасных и других материалов.

Известно множество способов очистки (утилизации) отходящих газов. Например, в способе отвода газа из конвертора по а.с. СССР N 631538; МПК C 21 C 5/38 для исключения попадания окиси углерода в атмосферу, т.е. для очистки газа от окиси углерода, "газ просасывают через слой железорудной шихты, нагретой до 400 1100^oC, пропускают конверторный газ, содержащий 1-20% окиси углерода, а сырье используют, содержащее гематита 182-428 кг/т стали при частичном дожигании отводимых газов и 7,3 17,1 кг/т стали при отводе газов без дожигания".

Недостатком этого способа является то, что исключаются выбросы только окиси углерода, задачи исключения выбросов оксидов железа и других вредных примесей не ставится. При этом способ влияет на технологию ведения плавки, что ограничивает ее возможности и вводит промышленные неудобства.

Известен способ отвода конверторного газа по а.с. СССР N 1242527; МПК C 21 C 5/38, в котором отходящие газы улавливают и дожигают в газоходе, избавляясь от окиси углерода, охлаждают и очищают продукты сгорания, и для повышения степени утилизации энергии конверторного газа "дожигание конверторного газа производят подогретым компремированным воздухом с непрерывной подачей в зону горения пылевидной ионизирующей добавки и с последующим воздействием электромагнитным полем на ионизированный поток продуктов сгорания для генерации электрического тока, который отводят от ионизированного потока продуктов сгорания при помощи замкнутой электроцепи к нагрузке и используют для технологических процессов."
Этим способом решается задача повышения степени побочного эффекта, но не ставится задача очистки газа от других примесей, кроме окиси углерода, и повышения степени очистки.

За прототип принят способ утилизации (очистки) отходящих газов с помощью электрофильтров, который заключается в следующем. Дымовые газы пропускают через систему, состоящую из заземленных осадительных электродов, создающих ток плотностью на уровне 0,001 А/мм², и размещенных на некотором расстоянии (межэлектродном промежутке) коронирующих электродов, к которым подводят выпрямленный электрический ток высокого напряжения с отрицательным знаком. При достаточно высоком напряжении, приложенном к межэлектродному промежутку, у поверхности коронирующего электрода происходит интенсивная ударная ионизация газов, сопровождающаяся возникновением коронного разряда. Газовые ионы различной полярности под действием сил электрического поля движутся к разноименным электродам, вследствие чего в электродном промежутке возникает электрический ток. Частицы золы, находящейся в отходящих газах, из-за адсорбции на их поверхности ионов приобретают электрический заряд и под влиянием сил электрического поля движутся к электродам, осаждаясь в основном на осадительных электродах, в меньшем количестве на коронирующих электродах. Электроды периодически очищают. Способ осуществляется при достижении определенной напряженности электрического поля, называемой критической, которая, например, для воздуха при атмосферном давлении и температуре 20^oC составляет около 0,15 кВ/см (Жабо В.В. Орана окружающей среды на ТЭЦ и АЭС: Учеб. для техникумом. М. Энергоатомиздат, 1992, 240 с, ил. с. 52.)
Недостатком этого способа является то, что отходящие газы очищаются в основном от твердых веществ (пыли), а не от присутствующих в них вредных газов, например от окиси углерода, окиси азота очистки не происходит, и то, что степень очистки не превышает 92 99% что не исключает попадания вредных примесей в атмосферу. При этом полезного побочного эффекта не возникает.

Таким образом, огромный банк изобретений не содержит способа для его реализации, который бы позволял очищать отходящие газы печей, конверторов и т.д. установок от любых видов примесей в такой степени, чтобы полностью исключить их попадание в атмосферу. В особенности это относится к агрегатам черной и цветной металлургии преимущественно к конверторам, для которых несмотря на более чем 150-летний период их использования до сих пор не создано работоспособного и вполне надежного способа очистки отходящих газов. Высокая запыленность конверторных газов, в особенности периодичность (цикличность) выхода их в течение производственного процесса, непостоянство химического состава- все это вместе взятое усложняет задачу утилизации конверторных газов.

Кроме того, большие трудности для работы всех существующих устройств создают периодичность и перерывы поступления отходящих газов, вызванные или технологическими, например в конверторном производстве, или организационными причинами. Естественно, при отсутствии отходящих газов или при снижении в них вредных компонентов до предела допустимой концентрации любое устройство утилизации, в особенности теплоэнергетическое, переходит из нормального состояния в режим остановки, что создает напряжения в элементах конструкции, нередко превышающих допустимые.

Настоящим изобретением решается задача очистки отходящих газов печей от всех видов примесей со степенью очистки свыше 99% т.е. при практически полном отсутствии попадания отходящих газов в атмосферу. Побочным эффектом является образование новых элементов, например лития, берилия, бора и т.д. полезных для народного хозяйства, и возможность безостановочной работы процесса утилизации при временных прекращениях поступления отходящих газов.

Задача решается тем, что в способе утилизации отходящих газов обработкой их электрическим током согласно изобретению последний подают плотностью от 20 до 100 А/мм² в присутствии магнитного поля и импульсами плотностью от 40 до 1000 кА/мм² в месте напряженности магнитного поля от 40 до 300 Вб. Напряженность магнитного поля в других местах действия электрического тока не существенна.

Эффект очистки от всех видов примесей и при степени очистки свыше 99% достигается вследствие совокупности режимов магнитного поля и электрического тока, создающих термодинамические условия, при которых молекулы газов и твердых веществ (оксидов металлов и др.), а также составляющие их атомы распадаются до осколков атомов, которые взаимодействуют между собой и с осколками атомов металлов с образованием устойчивых при этих условиях структур новых полезных элементов (металлов).

Как частный случай исполнения до обработки из отходящих газов образуют участок с разветвлением потока на несколько потоков, куда вводят влажный пар. Это позволяет при временном прекращении поступления отходящих газов продолжать процесс утилизации вкруговую по ветвям потока. Когда отходящие газы полностью исчезнут, обрабатываться будет водяной пар. Таким образом, будет сохраняться постоянным электрический и тепловой режим, чем исключаются разрушающие оборудование теплоэнергетические колебания. Предлагаемые режимные условия определены опытным путем в лабораторных условиях и проверены в промышленных условиях на конверторах.

При плотности электрического тока менее 20 кА/мм² степень очистки резко снижается до 60%
При плотности электрического тока более 100 кА/мм² прекращается рост степени очистки, энергетические затраты не эквивалентны результатам.

При напряженности магнитного поля менее 40 Вб степень очистки резко снижается до 50%
При напряженности магнитного поля более 300 Вб прекращается рост степени очистки, энергетические затраты не эквивалентны результатам.

При плотности электрического тока, подаваемого импульсами, менее 40 кА/мм² степень очистки резко снижается до 65%
При плотности электрического тока, подаваемого импульсами более 1000 кА/мм², прекращается рост степени очистки, т.е. энергетические затраты не эквивалентны результатам.

На основании того, что предлагаемый способ за счет неизвестной совокупности признаков обеспечивает утилизацию отходящих газов с очисткой от всех примесей со степенью выше 99% что является недостигнутым в технике эффектом, и при побочном эффекте выделения полезных химических элементов следует вывод о соответствии предлагаемого способа условию патентоспособности "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ соответствует условию патентоспособности "промышленная применимость", что подтверждается следующим примером конкретного использования способа утилизации отходящих газов конвертора.

На чертеже изображен участок разветвления потока отходящих газов.

Отходящие газы из рабочего пространства конвертора подают по обычному трубопроводу в электроизолированную камеру для обработки отходящих газов. В камере отходящие газы в присутствии магнитного поля обрабатывают электрическим током. Электрический ток подают двух видов: с помощью одной пары электродов плотности от 20 до 100 А/мм², который поддерживают постоянно в течение всего процесса утилизации, и с помощью другой пары электродов импульсами плотностью от 40 до 1000 кА/мм², и в месте напряженности магнитного поля от 40 до 300 Вб. В других местах действия электрического тока напряженность магнитного поля может быть произвольной, например, для снижения энергетических затрат: 20, 30 Вб. Источник магнитного поля может быть преимущественно в виде электромагнита (для обеспечения достаточно высокой напряженности) с переменным или с постоянным магнитным полем, например в виде известного соленоида с переменным или постоянным количеством витков. Электрический ток может быть как постоянным, так и переменным. При подаче импульса электрического тока возникает горение дуги, которое поддерживают подачей еще одного импульса электрического тока по мере необходимости, т.е. при снижении интенсивности ее горения, что определяют обычным способом, например по снижению электропроводности обрабатываемого газа. При горении дуги создаются термодинамические условия, при которых происходит следующее явление. Молекулы и атомы газов и твердых веществ, из которых составлены отходящие газы (оксиды металлов и др.), оказавшись неустойчивыми в этих условиях, распределяются до осколков атомов, которые взаимодействуют между собой (осколки атомов неметаллов с неметаллами, металлов с металлами и в перемежку неметаллы с металлами), образуя наиболее устойчивые в этих термодинамических условиях структуры элементов, которыми оказались металлы и неметаллы, такие как кремний (Si), углерод (C), алюминий (Al), марганец (Mn) и т.д. Таким образом, компоненты отходящих газов, как вредные, так и безвредные, исчезают, преобразуясь в полезные элементы, такие как кремний (Si), углерод (C), алюминий (Al), марганец (Mn) и т.д. которые имеют вид порошкообразного твердого вещества. О степени утилизации (очистки) отходящих газов судят по снижению объема отходящих газов и увеличению объема порошкообразного твердого вещества. Степень утилизации, как показали испытания, составляет 99,5 100% т.е. можно полностью уничтожить отходящие газы и получить из них полезные металлы. Если степень утилизации ниже 100% можно, не меняя параметров режима, обрабатывать отходящие газы несколько раз (2 3), что в промышленности целесообразно осуществлять в последовательно установленных камерах на произвольном расстоянии в непрерывном потоке.

Пример схемы образования новых веществ
и т.д.

Получаемый порошок твердого вещества ссыпается в бункеры и подается на дальнейшую обработку: сортировку, сушку, компактирование в бруски и т.п.

Как частный случай осуществления способа утилизации образуют участок 1 с разветвлением потока отходящих газов на несколько потоков, что осуществляют общепринятым приемом, т.е. с помощью разводки трубопровода. В разветвления потока отходящих газов подают влажный пар в произвольном количестве. При перерывах поступления отходящих газов, что особенно характерно для конверторных установок, отходящий газ вместе с влажным паром обрабатывается циркуляцией вкруговую на участке разветвления, в результате чего процесс утилизации продолжается и теплоэнергетический режим остается неизменным, что исключает цикличность нагрузок на оборудование (на трубопровод, электроды, магнит, стенки камеры 2, в которой установлены электроды и магнит, и т.п.) и, следовательно, исключает вызываемые ими разрушения. Для повышения давления отходящих газов на участке разветвления, в случае прекращения их поступления, источник поступления, например трубопровод сообщения с рабочим пространством конвертора, перекрывают запорным элементом 3, например задвижкой. Водяной пар можно подавать постоянно или непосредственно при прекращении поступления отходящих газов до их следующих поступлений. Из водяного пара так же, как и из отходящих газов, образуются такие же новые полезные элементы.

Отходящие газы перед их обработкой можно охлаждать смешиванием их с водой и газом в произвольной концентрации (для охлаждения стенок трубопровода и т. п. ). В этом случае твердые элементы получают в виде водяной или газовой пульпы, которая самотеком смывается, поступая в бункер. Сушку пульпы осуществляют обычным образом, например, осаждением в вакуум-фильтре.

Примеры с конкретными цифровыми значениями режимов с их обоснованием приведены в таблице.

Как видно из таблицы, при рекомендуемых способом режимах электрического тока и магнитного поля степень очистки отходящих газов максимально высокая: 99,5 100% при этом получаются новые полезные металлы (см. опыты 1 12). При плотности электрических токов 19 и 39 кА/мм², т.е. менее рекомендуемых 20 и 40 кА/мм², и при напряженности магнитного поля 39 Вб, т.е. меньше рекомендуемой 40 Вб, степень очистки резко снижается до 50 - 65% снижается также и количество получаемых полезных металлов (см. опыты 13 - 15). При плотности электрических токов 101 и 1001 кА/мм², т.е. более рекомендуемых, и при напряженности магнитного поля 301 Вб, т.е. более рекомендуемой, прекращается рост степени очистки, энергетические затраты излишни и не эквивалентны результатам (см. опыты 16 18). Рост количества получаемых полезных элементов прекращается.

Использование: для очистки отходящих газов промышленных печей, преимущественно черной и цветной металлургии. Сущность изобретения: отходящие газы обрабатывают электрическим током в присутствии магнитного поля. Электрический ток на обработку газов подают плотностью от 20 до 100 А/мм², а в месте напряженности магнитного поля от 40 до 300 Вб электрический ток подают импульсами плотностью от 40 до 1000 кА/мм². 1 ил., 1 табл.

Способ утилизации отходящих газов, включающий обработку их электрическим током в присутствии магнитного поля, отличающийся тем, что электрический ток на обработку газов подают плотностью 20 100 А/мм², а в месте напряженности магнитного поля 40 300 Вб электрический ток подают импульсами плотностью 40 1000 кА/мм².