УДК 669.162.16
аналитическое исследование процессов доменной плавки при вдувании продуктов газификации углей
© Товаровский Иосиф Григорьевич, д-р техн. наук, проф.; Меркулов Алексей Евгеньевич, канд. техн. наук
Институт черной металлургии им. З.И.Некрасова НАН Украины. Украина, г. Днепропетровск. E-mail: office.isi@nas.gov.ua Статья поступила 09.02.2012 г.
Выполненное с помощью разработанной в ИЧМ НАН Украины многозонной математической модели исследование доменной плавки при вдувании продуктов газификации углей показало, что процессы в объеме печи изменяются под влиянием тех же тенденций, что при вдувании пылеугольного топлива. Возможно значительное увеличение количества вдуваемых углей в случае их предварительной газификации с ожижением золы в прифурменных газификаторах. Это позволяет в случае замены высокосортных углей низкосортными получить целевую экономию кокса. Возможная замена горячего дутья холодным кислородом может быть приемлема только в случае низкого исходного и прогнозируемого удельного расхода кокса и дутья.
Ключевые слова: продукты газификации угля; математическая модель; замещение кокса; кислород; углерод.
При решении задач сокращения расхода кокса одной из приоритетных является реализация технологии доменной плавки с вдуванием пылеугольного топлива (ПУТ), которая нашла широкое развитие на передовых предприятиях мира с достижением расхода ПУТ 250-260 кг/т чугуна. Выполненные ранее расчетно-аналити-ческие исследования показали возможность сокращения расхода кокса до 250-280 кг/т чугуна при вдувании указанного количества ПУТ на отдельных доменных печах (ДП) Украины и России с учетом выполнения требований к свойствам сырья и кокса1. Однако общие масштабы развития этой технологии ограничены прежде всего повышенными требованиями к качеству кокса и, соответственно, составу угольной шихты для коксования, а также сортаменту углей для приготовления ПУТ. Выполнить эти требования в масштабах отрасли невозможно из-за дефицита углей необходимого сортамента в ДП большинства стран при труднодоступности мирового рынка. В случае небольших расходов ПУТ, ограниченных реальными условиями по качеству кокса и сортаменту вдуваемых углей, требуется одновременное вдувание также природного, коксового или другого газов. Учитывая изложенное, следует сочетать развитие вдувания ПУТ с разработкой и развитием альтернативных коксоза-мещающих технологий.
£ 1 Товаровский И.Г., Большаков В.И., Меркулов А.Е. Аналитическое 5 номика, 2011. - 206 с.
5 2 Товаровский И.Г. Доменная плавка. 2-е изд. - Днепропетровск : По]
В современных условиях острого дефицита углей требуемого сортамента фундаментальное решение проблемы сокращения расхода кокса вплоть до 200 кг/т чугуна возможно на пути использования для его замещения низкосортных углей. Такое решение может быть получено на основе разработки новой технологии доменной плавки с вдуванием горячих восстановительных газов (ГВГ) - продуктов газификации углей (ПГУ), получаемых в специальных газификаторах - при-доменных (в отдельных агрегатах) и прифурмен-ных - ПФГ (на ДП)2.
Сущность технологии с вдуванием ПГУ при использовании ПФГ заключается в следующем. Каждый фурменный прибор ДП на участке «колено-сопло» оборудуется ПФГ - устройством для газификации ПУТ. Сверху от коллектора горячего дутья через опуск к ПФГ подается горячее дутье, в поток которого вдувается ПУТ. Генерируемые в устройстве ГВГ-ПГУ выводятся из ПФГ в области воздушной фурмы ДП и поступают в фурменный очаг. Конструкция ПФГ, разработанная специалистами ИЧМ и ИВТАН, опирается на решения, заложенные в ранее созданном вихревом реакторе-газификаторе ИВТАН. Часть окислительного дутья, поступающего непосредственно в ДП для сжигания кокса, подается отдельным трактом, который может быть выполнен в двух вариантах:
исследование процессов доменной плавки. - Днепропетровск : Эко-
роги, 2009. - 768 с.
- в виде автономного отвода горячего дутья из опуска коллектора с подводом его к воздушной фурме для ввода в ДП;
- путем замены части горячего дутья эквивалентным количеством неподогретого кислорода, подаваемого трубкой через фурму (аналогично природному газу) и выводимого в фурменный очаг (по основному каналу фурмы поступают ПГУ).
Высокая полнота газификации ПУТ в ПФГ при полном ожижении зольной части с выносом ее в ДП обеспечивает эффективный режим сжигания кокса в фурменных очагах и в отличие от обычного вдувания ПУТ позволяет использовать для вдувания в ДП большое количество высокозольных углей.
Выполненное аналитическое исследование направлено на формирование основ и оценки эффективности этой технологии для последующей ее разработки и реализации.
Методика исследования. Для системной оценки влияния основных параметров на показатели доменной плавки в настоящей работе использована разработанная в ИЧМ НАН Украины математическая модель1, 2. На основе структурной увязки многозонных по высоте и радиусу ДП и общих балансов масс и теплоты увеличены прогнозные возможности модели, в том числе по установлению новых количественных связей процессов и выявлению влияния неравномерности распределения материалов по радиусу печи на показатели плавки. Для анализа новой технологии доменной плавки с вдуванием ГВГ-ПГУ, получаемых в специальных газификаторах, математическая модель доменной плавки дополнена модулем расчета ПФГ углей. На вход модуля ПФГ задают количества, составы и температуры газифицируемого агента и окислителя, а на выходе получают расчетные параметры ПГУ (количество, температура, состав), которые задают на вход модели доменной плавки.
В качестве базы для расчетов приняты условия работы ДП-5 ОАО «Северсталь» (далее «ССт») объемом 5500 м3 и ДП-9 ПАО «АрселорМиттал Кривой Рог» (далее «АМКР») объемом 5000 м3.
Указанные печи работали в базовом режиме при следующих распределениях относительной рудной нагрузки (РН) в РКЗ на колошнике:
№ РКЗ РН в ДП-5 РН в ДП-9
1 0,45 0,49
2 1,03 0,98
3 1,15 1,08
4 0,97 1,08
5 0,98 1,08
6 1,04 1,03
7 1,08 1,08
8 1,14 1,09
9 1,20 1,09
10 1,24 1,23
Расчетные варианты включают в себя (при исключении природного газа - ПГ):
1 - вдувание ПУТ из высокосортных углей (ПУТвс) - 250 кг/т чуг. (ПУТвс25о);
2 - вдувание ПУТ из низкосортных углей (ПУТНС) - 400 кг/т чугуна (нереализуемый вариант, рассчитываемый условно для анализа -ПУТнс4оо);
3 - вдувание ПГУ из низкосортных углей (ПГУНС) при подаче в ПФГ угля - 400 и 450 кг/т чугуна и части (соответствующего количества) горячего дутья, вдуваемого через воздушные фурмы ДП (ПГУнс4оо; ПГУнс45о);
4 - то же, что в п. 3, но с вдуванием через воздушные фурмы ДП холодного кислорода вместо горячего дутья (ПГУнс4ооО; ПГУнс45оО).
При расчете вариантов 3 и 4 с вдуванием ПГУ учитывается потеря 10% теплоты в ПФГ. Принятые для расчетов составы углей приведены в табл. 1.
В табл. 2 и 3 приведены основные расчетные показатели и параметры процессов для ДП-5 «ССт» и ДП-9 «АМКР» соответственно, а на рис. 1, 2 - соответствующие результаты в графическом виде.
Величина сокращения расхода кокса (ДК, кг/т чуг.) при вдувании ПУТ и ПГУ взамен ПГ определялась не только содержанием углерода и золы в углях (см. табл. 1), но также изменением в ДП
Таблица 1. Составы углей, принятые для расчета показателей и параметров ДП при вдувании ПУТ и ПГУ
Угли для вдувания Зола, % Летучие, % S, % H, кг/кг N, кг/кг O, кг/кг H2O, кг/кг Слет, кг/кг С£, кг/кг С ^нелет» кг/кг
ПУТвс (АМКР) 10 13 1,2 0,04 0,015 0,025 0,01 0,05 0,798 0,748
ПГУнс (АМКР) 25 25 1,2 0,05 0,025 0,075 0,01 0,10 0,578 0,478
ПУТвс (ССт) 10 13 0,5 0,04 0,015 0,025 0,01 0,05 0,805 0,755
ПГУнс (ССт) 25 25 0,5 0,05 0,025 0,075 0,01 0,10 0,585 0,485
Таблица 2. Ожидаемые показатели доменной плавки на ДП-5 «Северстали» (V = 5500 м3) при вдувании ПУТ, ПГУ и кислорода (О)
Показатели База ПУТВС250 ПУТНС400 ПГУНС400 ПГУНС400О ПГУНС450 ПГУНС450О
Удельная производительность, т/(м3-сут) 1,736 1,739 1,533 1,441 1,523 1,373 1,403
Расход кокса, кг/т чуг. 427 239 240 267 279 249 289
Дутье:
расход, м3/мин 7853 6892 6710 2177 879 1719 715
температура, °С 1184 1184 1184 1184 20 1184 20
содержание кислорода, % 24,3 24,3 24,3 24,3 90 24,3 90
Расход природного газа, м3/т 106 0 О СП 0 л пп 0 л пп 0 л пп 0 Л СП 0 Л СП
Расход вдуваемого угля, кг/т Колошниковый газ: 0 250 400 400 400 450 450
температура, °С 263 205 248 239 298 239 250
содержание, %: СО 21,7 21,2 22,9 22,5 22,5 23,1 25,3
СО2 19,1 22,8 19,6 18,1 21,8 17,1 17,8
Н2 7,5 о /с 4,3 О /С 7,8 то /с 7,3 01 /с 7,1 оо /с 8,0 оо /с 8,2 ПО /С
Известняк/конвертерный шлак, кг/т Агломерат+Окатыши+Руда, кг/т 3/5 1585 СО Т 8/5 1581 со с. 78/5 1565 СО 1 81/5 1566 СО 1 82/5 1565 со л 92/5 1563 ст о 93/5 1563 ст о
Железо в шихте, % Рудная нагрузка, т/т 59,7 3,73 ОЛ 59,6 6,66 01 58,1 6,86 01 58,1 6,18 оо 58,0 5,93 оо 57,8 6,65 оо 57,8 5,74 оо
Вынос пыли общий, кг/т В шлаке*, %: 24 21 21 22 22 22 22
кремнезем 36,61 34,66 35,37 35,52 35,64 35,61 35,61
глинозем 8,42 8,0 9,76 9,86 9,92 10,07 10,07
известь 38,42 36,37 37,12 37,28 37,40 37,37 37,37
магнезия 11,56 ОТЛ 10,73 ооо 8,86 001 8,84 ООО 8,84 00/1 8,62 /1 1 с\ 8,62 /1 1 Л
Количество шлака, кг/т Расход дутья, м3/т 270 1184 1 ОСТ 293 1038 391 1146 1 ООО 393 396 олтс 394 151 1 О/СС 410 328 01 Т1 410 133 01 Т/С
Объем влажного газа, м3/т Расход кислорода (расч.), м3/т 1857 58 ОЛА7 1603 51 01 оо 1883 56 1 0/1 о 2075 19 1 ОО/С 1965 147 1 ОТ/С 2171 16 1 ТО/1 2176 130 1 ОЛ/1
Теоретическая температура горения, °С Количество фурменного газа, м3/т 2007 1713 1 ТОТ 2139 1443 1 сот 1942 1735 1 Т/СО 1836 1929 1 осо 1876 1875 1 ОО/С 1784 2022 ПА/1 О 1804 2039
Количество сухого колошникового газа, м3/т Прямое восстановление оксида Бе, % 1737 26,2 /|£ О 1527 33,0 С1 о 1763 23,7 лс. л 1958 22,4 л л с 1836 7,2 /10 1 2048 22,4 /10 о 2056 18,8 /11 1
Использование СО+Н2, % Кусковой углерод, кг/т: общий/в районе фурм 46,8 367/257 Л СО/1 51,9 206/82 л л оо 46,0 207/97 Л ОЛ/1 44,5 230/122 /10Т1 49,1 240/163 /1 0/1 с 42,3 215/106 СГЮО 41,1 249/148 сгюо
Общий приход теплоты, кДж/кг в том числе: горение кокса 4524 2522 4483 800 4804 947 4971 119
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.