В порядке обсуждения
УДК 669.162.266
РЕЗЕРВЫ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ДОМЕННОГО ПРОЦЕССА
с с и: н
с И.Е.Сперкач, И.Ф.Курунов, ООО "РУМЕЛКО"
Первое заявление о целесообразности повышения давления в доменных печах сделал выдающийся металлург своего времени Генри Бессемер в 1871 г. [1], предполагая, что это приведет к повышению температуры продуктов горения топлива в фурменных очагах. Спустя 44 года П.М.Есманский в своем докладе в Екатерино-славском горном институте обосновывал необходимость повышения давления в доменных печах улучшением распределения газа в печи и более полным восстановлением руды в шахте [2]. В 1938 г. патент США на способ работы доменной печи с повышенным давлением газа получил Джулиан М. Звери и в том же году опубликовал статью, посвященную влиянию повышенного давления в доменной печи на реакцию газификации углерода [3, 4].
Первые практические попытки повышения давления в доменной печи сделаны в 1940 г. по инициативе И.И.Коробова на заводе им. Петровского и возобновлены в августе 1945 г. В США первые и успешные опыты по повышению давления газа были проведены в апреле 1944 г. В конце 1960 г. в СССР уже 86% чугуна выплавлялось в доменных печах, работающих с повышенным давлением газа.
Работа доменных печей при повышенном (абсолютном -здесь и далее) давлении газа на колошнике до 350 кПа, обогащении дутья кислородом до 35% и удельном расходе природного газа до 150 м3/т чугуна была освоена в 60-70 гг. XX века. В последующие годы развитие доменного производства шло по пути увеличения полезного объема доменных печей, повышения качества сырых материалов и кокса, совершенствования загрузочных аппаратов и технологии загрузки, повышения температуры дутья, автоматизации управления технологическим процессом. За это время объем доменных печей увеличился до 5500 м3 (1984 г). Анализ работы печей различного объема в последующие годы показал, что дальнейшее увеличение объема проблематично и нецелесообразно.
&
о Ñ 5 ь
С
110 210 310 410 510 610 710 810 910 10101110 Давление на колошнике, кПа
' ДП 1000 м3 Пуд ■
■ДП 3200 м3 Пу»
ДП 1000 м3 оП -
Рис. 1. Зависимость удельной производительности доменной печи от давления
газа на колошнике
В 1960-1970 гг. рассматривалась возможность дальнейшей интенсификации доменного процесса за счет повышения давления газа на колошнике до 600-700 кПа и увеличения степени обогащения дутья кислородом до 40-45%. Проработки показали, что внедрение этой технологии связано с большими техническими трудностями по обеспечению надежности и безопасности эксплуатации конусных загрузочных аппаратов, куполов воздухонагревателей и тракта горячего дутья.
В настоящее время, при наличии освоенных бесконусных загрузочных устройств различного типа, малогабаритных воздухонагревателей с купольными газогорелочными устройствами и технологии подачи части кислорода в смеси с природным газом непосредственно в фурмы, возможности повышения давления на колошнике до 600 кПа и обогащения дутья до 40-42% представляются реальными (соответствующие обоснования приведены ниже).
В качестве альтернативы гипертрофии роста объема доменных печей проработана технология интенсификации доменного процесса, увеличения производительности доменных печей и снижения удельного расхода дефицитного и перманентно дорожающего кокса за счет соответствующего увеличения давления газа на колошнике, обогащения дутья кислородом и расхода природного газа.
Влияние повышения давления в доменной печи на ее производительность и на удельный расход кокса, как известно, зависит от начальных условий работы печи, уменьшаясь с их улучшением. На рис. 1 приведены полученные путем компьютерного моделирования доменной плавки зависимости удельной производительности (Пуд) и ее приращения при повышении давления (АП) для двух доменных печей (ДП) объемом 1000 м3 и 3200 м3, оснащенных загрузочными устройствами конусного и бесконусного типа соответственно и работающих на сырьевых материалах и коксе различного качества (с отсевом и без отсева мелочи, сухого и мокрого тушения). С ростом давления газа на колошнике от 110 до 1010 кПа прирост производительности ДП на каждые 100 кПа уменьшается с 18% и 28% до 5% на 100 кПа.
Влияние давления на удельный расход кокса (К) и на его приращение (АК) заметно проявляется лишь на печи, работающей в худших условиях и лишь в диапазоне давления на колошнике до 600 кПа (рис. 2).
Оценку эффективности доменной плавки с газодинамическими параметрами, достижение которых технически возможно в настоящее время (давление
ДП 3200 м3дП
газа на колошнике 500-600 кПа, расход природного газа, вдуваемого в фурмы в виде газокислородной смеси 200-250 м3/т, суммарная концентрация кислорода в
600 -г
500
К 400 -
и
300 --
*
200 --
100 --
0 -
3,5 3
2,5 я С
2 £ О
1,5 Г
ж- .
н-1-1-1-1-1-^
■*- -т ,
1
0,5 О
110 210 310 410 510 610 710 810 910 1010 1110 _Давление на колошнике, кПа_
- ДП 1000м3 к ■
ДП 3200 м3 К - -А- - ДП 1000 м3аЖ -
ЯП 3200 м3 ¿К
Рис. 2. Зависимость расхода кокса от давления газа на колошнике
Таблица 1. Показатели работы доменной печи объемом 1000 м3 с повышенным давлением газа на колошнике, с вдуванием кислорода и природного газа
Показатели Варианты плавки |
базовый | А I Б I В
Удельный расход:
кокс скиповый, кг/т 490,7 463,4 325,5 284,0
природный газ, м3/т 77 77 200 250
Дутье:
расход, м3/мин 1505 2278 1856 1834
температура, "С 974 974 1200 1200
давление абс., кПа 301 704 717 722
влажность, г/м3 8,8 8,8 8,8 8,8
содержание кислорода, % 28 28 40 42
Теоретическая температура
горения,'С 2214 2187 2028 1896
Производительность, т/сут 1984 3257 3887 3867
Колошниковый газ:
выход, м3Д 1751 1636 1568 1534
давление абс., кПа 190 590 590 590
температура, °С 185 198 199 238
скорость, м/с* 1,23 0,63 0,72 0,76
калорийность, кДж/м3 3830 3850 5210 5490
* Скорость газа в расчете на свободное сечение колошника
Таблица 2. Сравнительные показатели работы ДП объемом 1000 м3
Показатели | Варианты плавки |
| базовый | А I Б I в
Производство чугуна:
т/сут. 1984 3257 3887 3867
тыс. т/год* 710 1166 1391 1384
Рост производства, тыс. т/год - 456 681 674
Рост производительности труда, % 100,0 166 198 197
Удельный расход кокса, кг/т 490,7 463,4 325,5 284,0
Снижение удельного расхода кокса, кг/т - 27,3 165,2 206,7
Экономия кокса, % - 5,6 33,7 42,1
тыс.т/год - 31,8 229,8 286,1
Расход природного газа:
м3/т 77 77 200 250
тыс. м3/год 54,69 89,78 278,3 346,1
ТДж/год 476 7344 11581 11655
Выход доменного газа:
разница, +; - - +2583 +6820 +6894
% 100,0 154,2 243,2 244,8
* Работа ДП 358 сут./год
дутье 40-42%), выполнили также путем компьютерного моделирования.
Для выявления влияния отдельных составляющих на интенсификацию доменного процесса и расход кокса в сопоставлении с фактическими показателями работы ДП полезным объемом 1000 м3, с давлением газа на колошнике 190 кПа (базовый вариант плавки) моделировали доменную плавку для следующих вариантов:
А - давление газа на колошнике 590 кПа;
Б - давление газа на колошнике 590 кПа, температура дутья 1200 °С, содержание кислорода в дутье 40%, удельный расход природного газа 200 м3/т;
В - давление газа на колошнике 590 кПа, температура дутья 1200 °С, содержание кислорода в дутье 42%, расход природного газа 250 м3/т.
Показатели работы доменной печи по вариантам А, Б,В приведены в табл.1.
Следует отметить, что при сохранении общего перепада на уровне базового варианта при повышении давления на колошнике со 190 до 590 кПа скорость газа на колошнике по варианту А (в расчете на свободное сечение колошника) уменьшится практически в два раза. Это, несомненно, приведет к значительному уменьшению выноса пыли из печи, увеличению времени контакта печного газа с шихтовыми материалами и к росту степени его использования. Кроме того, повышение давления в печи будет смещать равновесные условия реакции Будуара в сторону более высоких температур и, тем самым, уменьшать степень измельчения кокса вследствие участия в этой реакции.
В базовом варианте и варианте А кислород для обогащения дутья подается только на всас турбовоздуходувки (ТВД). В вариантах Б и В на всас ТВД подается количество кислорода, необходимое для обогащения дутья до 35%, остальной кислород - непосредственно в воздушные фурмы в смеси с природным газом для обеспечения полноты его сгорания в фурменном очаге [5, 6].
Анализ табл. 2 показал следующее. При варианте А производительность печи увеличивается только за счет повышения давления газа на колошнике со 190 до 590 кПа (в 1,66 раза, экономия кокса составляет 27,3 кг/т (27,3 тыс. т/год), выход доменного газа увеличивается (за счет интенсификации процесса) на 2583 ТДж/год, что эквивалентно экономии 76,8 млн м3/год природного газа.
Варианты Б и В отличаются от варианта А только повышенным расходом природного газа - с 77 (базовый вариант) до 200 и
г
о л I-
к ю а
га х
Ф
10000
5000 4000 3000 2000 1800 1600 1400 1200 1000 500
403,56
9200 / ♦
/
325 . * ъ/ 2937
2525 _2503 _ 2487 . .---- 2576 2012
* / • 2071
1752 У У *1737 >
✓ 1615
У ✓
1042 1254 1143,44
96? т Г 919,83
510,76
2000 г.
2001 г.
2002 г.
2003 г.
2004 г.
Рис. 3. Динамика цен на природный газ (—), уголь коксующийся (- -), кокс металлургический собственного производства (- • -) и покупной (- •• -), для условий Центра России
250 м3/т и концентрации кислорода в дутье (с учетом кислорода, вдуваемого в смеси с природным газом) -с 28% до 40 и 42% соответственно. Это мероприятие позволяет увеличить производство чугуна почти в два раза (198 и 197%), снизить удельный расход кокса на 33,7 и 42,1% (экономия кокса составляет 229,8 и 286,1 тыс. т/год) при увеличении выхода доменного газа на 6820 и 6894 ТДж/год, что эквивалентно экономии более 200 млн м3/год природного газа.
Экономия кокса за счет увеличения расхода природного газа в отечественных условиях является оправданной. Анализ динамики роста цен на природный газ, коксующиеся марки угля, кокс собственного производства и покупной за период 2000-2004 гг.
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.