Chemické aglomerační procesy ovlivňující účinnost elektrických odlučovačů

1. Aglomerace jako zdroj znečištění ovzduší

Aglomerace (spékání) je jedním ze způsobů tepelné úpravy jemně zrnitých až práškových železných rud a kovonosných materiálů na přiměřeně veliké a mechanicky dostatečně pevné kusy zušlechtěného kovonosného materiálu - aglomerátu, který dostatečnou prodyšností umožňuje ve vysoké peci vysokou intenzitu tavení a ekonomické zpracování.

K výrobě aglomerátu se využívá jemně zrnitých až prachových železných rud, vysokopecního prachu (výhozu), kyzových výpalků, koncentrátů z mokrých úpraven rud apod. Tyto zhomogenizované materiály smíchané ve vhodném poměru s vápencem nebo dolomitem a koksem jako palivem, navíc vhodně zvlhčené, se podávají ve vrstvě na posuvný aglomerační pas, na němž po zapálení vrstvy hořáky dochází vlivem prosávání vzduchu ke spékání práškových rud při teplotě 1150 až 1250 °C. Ze vzduchu prosávaného vrstvou vsázky na roštu vznikají vlhké spaliny unášející prachové částice. Tyto spaliny jsou odsávány kolektorovým potrubím opatřeným výsypkami. Před vypuštěním do ovzduší komínem se musí prachové částice ze spalin separovat v odlučovačích nejen proto, aby se ochránily lopatky exhaustoru (ventilátoru) před nadměrným opotřebováním a častými poruchami, ale také z hlediska ochrany ovzduší před nadměrnými emisemi tuhých látek. V uvedené koncepci zpracovávání surovin a přísad dochází ke vzniku pouze prachových částic ve spalinách, nikoliv ke tvorbě kapiček, např. dehtu.

Horký aglomerát padá z výpadového konce aglomeračního pasu přes drtič na síto a dále na chladič aglomerátu. Z chladiče se vytříděný a vychlazený aglomerát dopravuje pasy a dopravníky přes různé přesypy do zásobníku aglomerátu. Výpadový konec aglomeračního pasu, stejně jako drtič, síto, násypy na chladič a jeho výpad, všechny přesypy a dopravníky, jsou k zamezení prášení a znečišťování vnitřního prostředí aglomerace opatřeny vhodnými zákryty s odsáváním vzduchu. Odsávaný vzduch ze všech těchto horkých a studených míst, kterých je obvykle 40 až 120, se mísí ve směšovací komoře k zajištění rovnoměrné, co nejnižší teploty zaprášeného vzduchu před jeho vstupem do EO společného s aglopasem nebo do EO samostatného; vyčištěný vzduch se pak vypouští do ovzduší často jen komínovými nástavci.

K čištění spalin z aglomeračních pasů i vzduchu odsávaného od různých zákrytů se používají výlučně suché horizontální elektrické odlučovače se 3 až 4 sekcemi zapojenými za sebou. S ohledem na vysoký podtlak exhaustoru - až 20 000 Pa - musí být skříň EO navržena v zesíleném provedení a pro najíždění pasu s vrstvou vsázky dimenzována na podtlak vyvozený studenými spalinami - vzduchem.

2. Hlavní vzduchotechnické parametry ovlivňující účinnost (odlučivost) EO

Běžně používané aglomerační pasy mají činnou sací plochu obvykle 75 až 400 m², s rychlostí posuvu 0,03 až 0,11 m.s^-1. Tloušťka spékané vrstvy bývá až 0,4 m. Teplota v zapalovací hlavě bývá 1050 až 1250 °C, střední teplota hotového aglomerátu na výstupu z pasu je okolo 400 až 500 °C. Hmotnost vsázky na 1 tunu vyrobeného aglomerátu bývá 1250 až 1300 kg. Z toho činí palivo (koks, nebo koks s antracitem) 6 až 8 %, vápenec 20 až 26 %. Vlhkost bývá 6 až 8 %.

2.1 Objemový průtok čištěných spalin

Objemový průtok spalin "Q" je závislý na metalurgických podmínkách úpravy železné rudy, na provedení aglomeračního pasu, na přisávaném objemu "falešného vzduchu" netěsnostmi aglomeračního zařízení a na činné prosávané ploše aglopasu.

Jako směrné hodnoty objemových průtoků spalin před vstupem do elektrických odlučovačů (dále také jen EO) lze uvažovat

Q = 1,4 až 1,55 m³.s^-1 na 1 m² sací plochy pasu

Závazné údaje o objemovém průtoku spalin, jejich teplotě a podtlaku, i vstupní koncentraci prachu ve spalinách určuje výrobce aglomeračního stroje.

2.2 Teplota čištěných spalin

Teplota spalin před vstupem do EO závisí na provedení aglomeračního zařízení, na podávané vsázce a na provedení kolektorového potrubí, a kolísá obvykle v rozmezí

t = 70 až 160 °C

Rosný bod spalin vzhledem k obsahu vodní páry záleží na vlhkosti vsázky a bývá většinou v rozmezí

t_r = 44 až 53 °C

Při snižování vlhkosti vsázky bývá rosný bod vody často jen okolo 41 °C, někdy však i pod 40 °C. I teplota spalin bývá někdy nižší než 100 °C, např. jen 90 °C. To však způsobuje poměrně rychlou korozi vnitřních částí EO včetně skříně; v takovém případě je nutné počítat s častější výměnou vnitřních částí EO. Současně to však jsou příznivé podmínky pro odlučování, které zvyšují odlučivost EO i odlučovací rychlost (viz dále) částic. To však platí pouze za předpokladu, že se daří odvádět odloučený a na elektrodách usazený prach do výsypek bez tvoření prachových nánosů na elektrodách a bez tvorby prachové klenby ve výsypkách, zejména pak při zvýšeném obsahu chloridů Cl^- v prachu.

2.3 Podtlak čištěných spalin

Podtlak spalin před EO "p" je závislý na výšce a prodyšnosti vrstvy vsázky na aglomeračním pasu a pohybuje se obvykle v rozmezí

p = -(8000 až 12000) Pa

Při uvádění aglomeračního pasu do provozu ze studeného stavu však může podtlak v odlučovači dosáhnout, s ohledem na provozní teplotu spalin T [K], hodnoty až

Na tento podtlak, při respektování podtlaku studeného vzduchu, který může vyvinout exhaustor nebo ventilátor dimenzovaný podle požadavku výrobce aglomeračního pasu, se musí dimenzovat skříň EO včetně vstupů a výstupů, přechodových kusů a příslušného potrubí.

3. Parametry ovlivňující účinnost EO

Účinnost (odlučivost) EO je ovlivněna celou řadou parametrů jako jsou chemické složení suchých spalin, chemické složení vsázky v závislosti od zpracovávaných surovin atd. Tyto parametry a jejich změny jsou potom funkcí tzv. odlučovací rychlosti EO - viz dále kap. 4. Proto se v této kapitole budeme podrobněji zabývat pouze palivem a odlučovaným prachem a prvky v něm obsaženými.

3.1 Charakteristické složení paliva:

C	~ 79%
S	< 1%
H2O	< 1%
obsah prchavých látek	< 1%
obsah popela	< 10%

S ohledem na požadavek nízkého obsahu prchavých látek tvořících pak ve spalinách uhlovodíky, které při teplotách pod cca 250 °C kondenzují na dehtové kapičky, může se jen malý podíl koksu nahrazovat antracitem, nikoliv však černým uhlím, které má nepoměrně vyšší podíl prchavých látek.

Z hlediska elektrického odlučování je charakteristikou složení vsázky její bazicita (zásaditost), která je dána poměrem

případně

Tato hodnota se pohybuje většinou v rozmezí 0,6 až 1,4. V některých zahraničních provozech je bazicita rovna až hodnotě 2. V CZ a SK aglomeracích se tato hodnota pohybuje okolo 1,1 až 1,2. Bazicita aglomeračního prachu negativně ovlivňuje odlučivost EO.

3.2 Vstupní koncentrace prachu

Vstupní koncentrace prachu "q_p" (před vstupem do EO) bývají u současných aglomeračních pasů většinou

q_p = 1,5 až 0,4 g.m^-3 přibližně 2,2 až 0,6 g.m_N^-3, výjimečně až 3 g.m^-3

Obvyklé základní charakteristické údaje odlučovaného prachu:

měrná hmotnost	ρ = 3500 až 3850	kg.m-3
měrný povrch částic	sČ = 105 až 150	m2.kg-1
medián částic	aM = 23 až 36	µm
měrný počet částic	(8 až 15).109	g-1
poměrná permitivita	ε2 ~ 8,5

Velmi výrazný a pozitivní je vliv zvýšeného rosného bodu vody plynu na snížení hodnoty měrného elektrického odporu u prachů s nebezpečím vzniku nežádoucího efektu tzv. zpětné korony, k čemuž dochází právě při snížení vlhkosti vsázky.

3.3 Obvyklé chemické složení prachu:

Fe	32 až 55, i více	% hmotn.
FeO	4 až 10	% hmotn.
Fe2O3	40 až 56	% hmotn.
SiO2	6 až 14	% hmotn.
Al2O3	1 až 2,5	% hmotn.
CaO	6 až 14	% hmotn.
MgO	1 až 4,5	% hmotn.
C	0,5 až 5	% hmotn.
S	0 až 1,7	% hmotn.
alkalie	1 až 8	% hmotn.
chloridy Cl-	4 až 30	% hmotn.

3.4 Výstupní koncentrace tuhých látek

Technicky možné a dosažitelné výstupní koncentrace tuhých látek "q_V" za EO se obvykle pohybují hluboko pod úrovní 50 mg.m^-3 , což odpovídá odlučivosti (95 až 97) %.

V příznivých a ustálených podmínkách byly dosaženy výstupní koncetrace pod 20 mg.m^-3.

Při rosných bodech vodní páry ve spalinách pod cca 44 °C se zhoršují elektrické parametry odlučování, koncentrace prachu v úletu se zvyšují a snižuje se odlučivost EO. V takových případech se buď to musí zvětšit měrné plochy usazovacích elektrod nebo vstřikováním vody do horkých spalin zvýšit rosný bod vody.

3.5 Vliv cyklujících chloridů na funkci EO

Obsah chloridů Cl^- má zásadní vliv na funkci EO. Vzhledem ke zvyšujícímu se obsahu chloridů v odlučovaném prachu (vlivem tzv.cyklování kdy zachycený prach v EO je vracen zpět na aglopas a procento chloridů se neustále zahušťuje) dochází k protichůdnému jevu, a sice že chloridy jednak zlepšují odlučivost EO, ale zároveň významně zvyšují lepivost prachu. Zvýšená lepivost pak má za následek zanášení výsypek EO a dalších návazných dopravních cest prachu. Doporučuje se proto, pokud možno, nevracet zachycený prach v EO trvale zpět do spékacího procesu, ale separovat jeho podíl pod posledními sekcemi EO, kde se zachytává největší procento těchto látek (viz.též kap.5) a tento podíl skladovat na oddělené skládce.

4. Odlučovací rychlost - nejvíce ovlivnitelný parametr

Dle "Deutschovy formule" je základní parametr pro návrh a funkci EO ukazatel "odlučovací rychlosti" w (m/s).

Deutsch :

w = ln(1-o)/f_us
F_us (m²) = f_us (s/m) . Q_v (m³/s)

kde je

w(m/s)	střední odlučovací rychlost
o(-)	odlučivost (účinnost) EO
Fus(m2)	usazovací plocha EO
fus(s/m)	měrná (fiktivní) usazovací plocha EO
Qv(m3/s)	objemový efektivní průtok spalin čištěných v EO

Odlučovací rychlost w je funkcí mnoha parametrů z nichž uvedeme pouze ty základní:

w = f(chem. slož. spalin, prachu, teploty, vlhkosti, měrného odporu prachu, geometrického uspořádání EO, rychlosti proudění plynu v EO, atd .....)

Pro geometrické uspořádání EO s roztečí usazovacích elektrod 0,4 m (bráno kolmo vertikálně ke směru proudění plynu) budeme označovat střední odlučovací rychlost w_0,4.

w_0,4 = 0,07 až 0,17 m.s^-1

V tomto rozmezí se pohybují střední odlučovací rychlosti částic při čištění spalin z různých aglomeračních pasů zpracovávajících různou vsázku rozdílné vlhkosti.

V běžné praxi při q_p = 0,7 až 1,5 g.m^-3 a při rosném bodu t_r ~ 45 °C a při požadované výstupní koncentraci q_V < 80 mg.m^-3 se pohybuje odlučovací rychlost v rozmezí:

w_0,4 = 0,07 až 0,1 m.s^-1

Z provozních měření ve shodě s teorií elektrického odlučování vyplývá, že hodnota střední odlučovací rychlosti aglomeračních částic w se:

1. zvyšuje s rostoucím obsahem sirných a chlorových sloučenin ve spalinách
2. zmenšuje s klesajícím rosným bodem vodní páry ve spalinách (t_r = 54 °C —> 38 °C). Platí to jen pro vzrůstající část křivky závislosti měrného elektrického odporu na teplotě.
3. zmenšuje s rostoucí hodnotou rozdílu teploty spalin a jejich rosného bodu vodní páry
   (δt = t - t_r = 60 °C —> 120 °C)
4. zmenšuje s rostoucí zásaditostí (bazicitou) odlučovaného prachu, tj. s rostoucí velikostí podílu obsahu kysličníku vápenatého a křemičitého (viz. kap. 3.3).
   Tyto podíly se pohybují obvykle mezi 1,1 až 1,25 ale kolísají však od 0,6 do 1,4 a výjimečně až 2. Nepříznivý vliv vyšší zásaditosti se vysvětluje tím, že v přítomnosti vodní páry vysoký podíl vápna váže chemicky plynné kysličníky síry - SO₂ a zejména SO₃ - a vytváří síran vápenatý CaSO₄, čímž se snižuje jejich příznivý vliv na ionizaci spalin a na snížení měrného elektrického odporu vrstvy prachu usazené na usazovacích elektrodách.
5. zmenšuje s klesající vstupní koncentrací prachových částic v důsledku jejich zjemnění a snížení jejich mediánu a_M
6. zmenšuje při nahrazování části koksu uhlím - antracitem ve vsázce. Destilací dehtových látek z prchavých podílů v uhlí se může na prachových částicích vytvářet dehtový nebo olejový film; toto se nazývá negativní kondicionování. To dále způsobuje zvýšení nebezpečí doutnavých požárů prachových usazenin v elektrickém odlučovači
7. zmenšuje při uzavřeném prachovém oběhu, tj. při zpětném vracení odloučeného prachu do spékacího procesu. Tak totiž dochází v odlučovaném prachu k zvyšování obsahu sublimátů, jako alkálií, kovových kysličníků apod., které mají vysoký měrný elektrický odpor, a proto se v elektrickém odlučovači obtížně odlučují. Dále dochází ke zvýšení obsahu cyklujících chloridů, které mají negativní vliv na lepivost prachu v EO (viz. kap. 3.7) a v dopravních cestách. Z toho důvodu je pak nutno EO vybavit přídavnými akustickými oklepy. Doporučuje se proto, pokud možno nevracet zachycený prach v elektrickém odlučovači trvale nebo periodicky zpět do spékacího procesu.

Na hodnotu měrného elektrického odporu odlučovaného prachu má rovněž vliv jeho chemické složení; kvantitativně ani kvalitativně není tato závislost známa. Proto se doporučuje u již postavených aglomeračních zařízení s obdobnou vsázkou proměřit závislost měrného elektrického odporu prachu na teplotě při několika různých bodech vody ve vzduchu, nejlépe však přímo ve spalinách v provozních podmínkách.

Je li rosný bod vody ve spalinách nižší než 44 °C, doporučuje se vybavit kolektorové potrubí odsávaných spalin pod aglomeračním pasem zařízením k vstřikování a jemnému rozprašování tlakové vody s automatickou regulací jejího průtoku odvozenou od teploty spalin, a to v místě maximálních teplot spalin - obvykle to bývá předposlední odsávací komora aglomeračního pasu. Tímto způsobem se zvýší rosný bod páry ve spalinách a sníží hodnota měrného elektrického odporu vrstvy odlučovaného prachu. Maximálně se doporučuje vstřikovat 25 g vody na 1 m³_N suchých spalin.

5. Některá specifika napájení EO a zdrojů VVN

Ke zdrojům VVN pro napájení EO uvedu pouze zkráceně specifika pro problematiku aglomerací, neboť jejich problematika je sama o sobě hodně rozsáhlá a tudíž není možno ji v tomto omezeném článku podrobně rozebírat.

Podle provedených analýz se v elektrickém odlučovači mění chemické složení odlučovaného prachu po směru proudění spalin. Rychleji se totiž vylučuje železo, kysličník hořečnatý, křemičitý, hlinitý a celkový i zbytkový uhlík, takže jejich obsahy v prachu zachyceném ve výsypce první sekce jsou značně vyšší než v prachu ze druhé sekce. Obráceně je tomu se sírou, kysličníky sodným a draselným, mědí, olovem, zinkem a zejména pak s organickými látkami , ztrátou žíháním a chloridy.

Proto se k napájení elektrických odlučovačů usměrněným proudem o vysokém napětí na prvních sekcích zpravidla používají jednofázové křemíkové usměrňovače. Další sekce je vhodné provozovat s pulsními zdroji s regulací vstupního napětí do hlavního transformátoru tyristory, a s automatickou bezkontaktní regulací. Tyto zdroje jsou kromě základního usměrňovače vybaveny navíc tzv. pulsní nástavbou, která podporuje schopnost nabíjení právě vysoce rezistivních složek prachu v EO.

6. Další připomínky k použití EO na aglomeracích

6.1 Organické látky a okuje

V některých aglomeračních provozech došlo k vyhoření usazovacích elektrod převážně v zadní sekci EO. Jako hlavní důvod toho bývá vznícení organických látek obsažených v odloučeném a na usazovacích elektrodách usazeném prachu, a sice po rychlém nárůstu teploty suchých spalin o cca 50 až 60 °C, zapříčiněném např. zastavením aglomeračního pasu. Vznícení mohou podporovat i organické sloučeniny reagující v určitých podmínkách s ozonem O₃ z koronového výboje vysokonapěťových elektrod za vzniku nestálých sloučenin - ozonidů, které bývají silně explozivní. Navíc s některými látkami mohou nitroskupiny NO₂⁺ vytvářet nitrosloučeniny, mnohdy rovněž silně reaktivní.

Organické látky se dostávají do odlučovaného prachu unášeného spalinami z paliva, rudy, vysokopecního prachu apod. V tomto směru jsou nežádoucí zejména olejové okuje ve vsázce.

Jako opatření proti nebezpečí vyhoření usazovacích elektrod se zdroje VVN automaticky, se zpožděním 3 až 10 minut, vypínají po zastavení aglomeračního pasu, po vypadnutí exhaustoru z chodu nebo po uzavření klapky v sání exhaustoru na více než 75 % uzavřené polohy. Jako další opatření je nutno provést:

1. Zkvalitnění mletí koksových jímkových kalů, které mají vyšší obsah organických látek, a jejich rovnoměrné dávkování na aglomerační pas.
2. Zabránění zpracovávání mastných válcových okují na spékacích aglomeračních pasech, za kterými jsou k čištění odsávaných spalin instalovány elektrické odlučovače.
3. Další snížení teploty spalin před EO přisáváním falešného vzduchu do spalin (to je však dosti neekonomické a zhoršuje přepočtový koeficient na O_2ref = 19% obj.).

Problematika zpracování odpadních hutních materiálů na aglomeračních pasech ve vazbě na čištění spalin není dosud uspokojivě vyřešena. Ke zpracování odpadových hutních materiálů je možno např. budovat zvláštní rotační pece, jejichž odsávané spaliny se bezpečně čistí v suchých elektrických odlučovačích. Toto zařízení s sebou však přináší další nemalé podružné náklady.

6.2 Podružné chemické reakce

Závěrem tohoto článku se alespoň okrajově zmíníme o dalších podružných chemických reakcích odehrávajících se při aglomeračním procesu a majících negativní vliv na odlučivost EO.

Na elektrické odlučování aglomeračního prachu působí dále velice nepříznivě kysličník zinečnatý ZnO, který se váže s kysličníkem uhličitým CO₂ a vzniká uhličitan zinečnatý ZnCO₃, a dále chloridy olova PbCl₂ a PbCl₄, které způsobují silné zahuštění kouře na výstupu z komína i při malé vstupní koncentraci aglomeračního prachu. Tyto podíly se dostávají na aglomerační pas s kychtovým prachem od vysokých pecí. Jeho podíl na aglomeračním pasu má být proto menší než 10%.

Za provozu je tedy nutné soustavně sledovat vrstvu vsázky na aglomeračním pasu po celé jeho činné ploše. Rozpraskaná vsázka umožňuje místně prosávat větší průtoky vzduchu, a dochází k nadměrnému strhávání prachových částic ze vsázky, zejména pak základové vrstvy. To vše vede k podstatnému zhoršení podmínek pro zdárné elektrické odlučování prachových částic, snížení vlhkosti spalin, snížení odlučivosti elektrického odlučovače a zvýšení koncentrace prachu v úletu do ovzduší.

7. Závěr

Společnost ENVEN a.s. se v současné době podílí na výstavbě čtyř elektrických odlučovačů za aglomeračními pasy v US Steel Košice s.r.o. V současné době jsou v provozu první dva z nich. Zkušenosti z provozu prvních dvou elektrických odlučovačů potvrzují že odlučovaný prach má velmi proměnlivé vlastnosti , závislé především na jeho chemickém složení, granulometrii a teplotě, jak je výše v tomto článku uvedeno. Jako příklad lze uvést zásadní rozdíly ve zjištěné sypné hmotnosti vzorků odebraných z jednoho pasu v rozmezí dvou po sobě následujících týdnů (350kg/m³ až 1200 kg/m³).

Je proto nesmírně obtížné nalézt jednoznačný způsob spolehlivého (a tudíž i bezobslužného) provozování zařízení, jelikož vlastnosti prachu jsou ovlivňovány mnoha subjekty a procesy, a to především volbou vsázky, způsobem provozu samotné technologie spékání, pečlivostí údržby a v neposlední řadě i pečlivostí při obsluze provozu odprašovacího zařízení jako komplexu.

Především složení vsázky a množství odloučeného prachu vraceného zpět do procesu významně ovlivňuje obsah lepivých složek v prachu obsažených (chloridů a alkálií viz. předchozí kapitoly).

Na zkušebním provozu tohoto zařízení se z výše uvedených důvodů i nadále podílí nejen dodavatelé EO ale také výzkumní pracovníci investora pro problematiku technologie aglomerací.