Вугільне паливо в доменній печі

Зміст



Вступ 

1. Літературний огляд

1.1 Технологія доменної плавки із застосуванням пиловугільного палива

1.2 Зміна рівня використання відновлюваної енергії горнових газів і ступеня прямого відновлення оксиду заліза

1.3 Норми компенсації при вдуванні в сурму пиловугільного палива

1.4 Особливості теплового режиму доменної печі при вдуванні в сурму додаткового палива

1.5 Зміна окислювальної здатності фурмених зон

1.6 Особливості процесу десульфурації чавуну

1.7 Регулювання теплового режиму доменної плавки за допомогою ПВП

1.8 Технологія доменної плавки при вдуванні ПВП

2. Методика виконання технологічних розрахунків

3. Графічний аналіз використання ПВП на основні технологічні показники доменної плавки 

Висновки


Вступ



За економічних умов, які склалися сьогодні в Україні, необхідна модернізація однієї з бюджетоутворюючих галузей господарства - металургії. Особливої уваги заслуговує оптимізація доменного процесу, яка викликана дефіцитом сировини для отримання достатньої кількості коксу, великою ціною існуючих інших замінників.

Вважається доцільним, для інтенсифікації доменного процесу, використання пиловугільного палива (ПВП) як часткова заміну коксу.

Максимальне зниження витрати коксу спостерігається при застосуванні вугілля з максимальним змістом вуглецю і мінімальним змістом золи (рис.1).

Так, в США обробка результатів експериментів, проведених на промисловій печі, дозволила отримати залежність коефіцієнта заміни коксу К3 від зольності вживаного вугілля (1):

K3= 1,48-0,66(Аy/Ak) (1)

де Аy і Ak зольність ПВП і коксу.


1. Літературний огляд



1.1 Технологія доменної плавки із застосуванням пиловугільного палива



Затяжний період промислового освоєння технології доменної плавки із застосуванням пилевугільного палива можна пояснити необхідністю розробки складного і коштовного устаткування для обробки і вдування палива. Отже, в цьому випадку необхідна теоретична температура горіння визначається зміною тепловмісту шихти, що поступає в нижню зону теплообміну, яка визначається зміною ступеню прямого відновлення окислу заліза. Рівняння (1.1.1) можна виразити з урахуванням ступеня прямого відновлення:

При вдуванні в горн пиловугільного палива, близького по хімічному складу до коксу, рівень необхідних теоретичних температур визначається зміною ступеню прямого відновлення оксиду заліза. За інших рівних умов зниження ступеня на 1% визначає зниження необхідної теоретичної температури горіння на 15-25°С. При вдуванні худого вугілля необхідна температура горіння знижується на 20°С на кожних 100кг пилевугільного палива, введеного на 1т чавуну. Відносно малий темп зміни необхідної теоретичної температури пояснюється значним скороченням витрат природного газу, розрахованим виходячи з умови збереження на початковому рівні приходу водню на одиницю шихти, зниженням витрати дуття і виходу горнових газів на одиницю чавуну внаслідок приходу з летючими вугілля кисню, яке заміняє частину водню дуття.

Зниження теоретичної температури при вдуванні довгополумяного вугілля менше, ніж при вдуванні худого вугілля або антрацитів, що пояснюється підвищеним виходом летючих і великим скороченням витрати природного газу. За сприятливих умов плавки (зниження rd, на 2-4% на кожних 100кг вугільного пилу на 1т чавуну) необхідна і теоретична температури горіння трохи розрізняються . Таким чином, як і при вдуванні природного газу, вдування в фурму пиловугільного палива супроводжується зниженням необхідної теоретичної температури, причому тим більш значним, ніж значніше зниження ступеня rd. Ця обставина визначає наявність мінімальної різниці між теоретичною і необхідною температурами горіння. Отже, при вдуванні вугілля з високим вмістом вуглецю додаткова компенсація впливу палива не є обов'язковою або може бути мінімальною.

При вдуванні пиловугільного палива повна і надмірна компенсація впливу добавки, що охолоджує, за рахунок зміни температурно-дуттєвого режиму так само ефективна і економічна, як і при вдуванні інших палив.

Підвищення теоретичної температури горіння, в першу чергу за рахунок підвищення температури дуття і скорочення його вологості, сприятиме внесенню до горну додаткового фізичного тепла, поліпшенню умов нагріву шихти, використанню відновної енергії газу і, кінець кінцем, підвищенню ефективності застосування пиловугільного палива.

Витрата природного газу є основним параметром, скорочуючи який можна забезпечити необхідний рівень теоретичної температури горіння при вдуванні в горн значної кількості пиловугільного палива.

У конкретних технологічних умовах необхідний рівень теоретичних температур горіння визначається, перш за все, виходом горнових газів і ступенем завершеності теплообміну на межі проміжної і нижньої зон теплообміну.

Збагачення дуття киснем визначає значне скорочення виходу фурмових газів і підвищення теоретичної температури.

Можна зробити висновок про те, що збереження або поліпшення основних технологічних умов плавки при застосуванні комбінованого дуття може бути забезпечене за умови збереження або зменшення загального на 1 т чавуну виходу горнових газів і збереження або підвищення теоретичної температури горіння.

1.2 Зміна рівня використання відновлюваної енергії горнових газів і ступеня прямого відновлення оксиду заліза



Розвиток реакцій відновлення вюстіта оксидом вуглецю і воднем визначає ступінь використання відновної енергії газів і розвитку відновних процесів в шахті печі, величину коефіцієнта прямого відновлення оксиду заліза, що, кінець кінцем, визначає і ефективність процесу відновлення - відносні витрати тепла, відновного газу і коксу.

Вирішальний вплив на зміну ступеню використання відновної здатності газів надає зниження виходу газів-відновників .

Згідно даним Череповецького металургійного комбінату і Донецького металургійного комбінату при скороченні виходу газів-відновників від 1350 до 750-800 м3/т чавуну відмічено зниження rd, від 0,4-0,5 до 0,3-0,4. При цьому ступінь використання оксиду вуглецю в печі підвищується від 0,25-0,30 до 0,37-0,40. При подальшому зниженні виходу газів-відновників наголошується збільшення rd до 0,40-0,45, що можна пояснити недостатньою кількістю газів-відновників для проходження реакції відновлення вюстіта 

Проте вихід газу-відновника є лише одним з показників, що визначає хід реакцій відновлення вюстіта оксидом вуглецю і воднем, нарівні з такими як висота зони сповільненого теплообміну, інтенсивність плавки, тиск газів в робочому просторі печі, частка коксу в шихті, частка оксидів заліза в агломераті та ін.

Мірою, що узагальнює ці та інші показники є час контакту газу-відновника з оксидами заліза в зоні сповільненого теплообміну доменної печі.

Час контакту газів-відновників з оксидами заліза найповніше відображає вплив технологічних умов на розвиток відновних процесів в шахті печі, ступінь використання газів і ступінь непрямого відновлення оксиду заліза. Одним з основних наслідків, що визначила ця зміна є зниження виходу газів-відновників на одиницю шихти, що виразилося в зниженні надлишку газу-відновника для реакції відновлення вюстіта оксидом вуглецю і воднем з 1,3- 1,5 до 0,7-0,8.

Збільшення τ до 0,7с супроводжується збільшенням відносного ступеня використання газу для реакції відновлення оксиду заліза оксидом вуглецю від 0,3 до 0,7-0,9. За одиницю приймаєм рівноважний вміст СО2 в горновому газі. Подальше збільшення τ не викликає істотної зміни ступеню використання газу. Мабуть, при надлишку газу-відновника, рівному 0,8-0,9 і величині часу контакту τ = 0,7с фактичний склад газу в шахті печі наближається до рівноважного для реакції непрямого відновлення оксиду заліза. 

Тільки вдування високо вуглецевого пиловугільного палива супроводжується збільшенням часу контакту τ завдяки збереженню або зниженню виходу фурмових газів і значному зниженню витрати коксу.



1.3 Норми компенсації при вдуванні в фурму пиловугільного палива



Для кожного виду додаткового палива може бути визначений номінальний рівень сумарного коефіцієнта заміни ΣK3, при якому в міру збільшення витрати палива не відбувається збільшення виходу фурмових газів, зниження теоретичної температури горіння і відповідного погіршення технологічних умов плавки.

При величині K3>1,0-1,2 вдування пиловугільного палива поліпшує комплекс технологічних умов плавки, що визначають розмір збільшення витрати палива на зростання продуктивності, підвищення ступеня використання відновної енергії сурмових газів, скорочення часу згоряння додаткового палива при підвищенні рівня необхідних теоретичних температур горіння. Теоретично при величині К3= 1,0-1,2 і більше при збільшенні витрати палива не відбувається негативних змін в стані технологічного режиму, які обмежували б ефективність застосування пиловугільного палива і величину його оптимальної витрати.

Разом з підвищенням температури дуття і зниженням його вологості компенсуючими заходами можуть бути вивід з шихти вапняку, зниження виходу шлаку, часткова металізація шихти.

Розрахунковим шляхом і промисловими експериментами було встановлено, що при зниженні зольності пиловугільного палива до 70-80 % від зольності вживаного коксу величина К може наближатися або перевищувати номінальний рівень, що забезпечує збереження або поліпшення технологічних умов і величини К при збільшенні витрати палива.

Розрахунки показали, що при будь-якому початковому вмісті кисню в дутті, використанні природного газу і коксу, вдування нізкозольного пиловугільного палива при деякому зниженні витрати природного газу (на 0,1-0,3 м3/кг) може забезпечити отримання технологічних режимів, що відповідають основним вимогам по виходу сурмових газів і рівню теоретичних температур горіння.



1.4 Особливості теплового режиму доменної печі при вдуванні в сурму додаткового палива



Вдування у фурму природного газу, в меншій мірі пиловугільного палива, супроводжується інтенсифікацією процесу непрямого відновлення оксиду заліза (rd), а також зниженням окислювального потенціалу фурмених зон, слідством чого є зменшення численія елементів чавуну, в першу чергу заліза.

В результаті вказаних змін відбувається істотнє зменьшення приходу у фурму оксиду заліза, відновлення якого йде прямим шляхом, тобто із значним споживанням тепла.

На практиці, при вдуванні природного газу і пиловугільного палива, відновлення оптимального нагріву фурми і якості продуктів плавки досягається збільшенням рудного навантаження і відповідним зниженням витрати коксу.

Проте відновлення теплової рівноваги фурми доменної печі по кінцевому складу і температурі продуктів плавки не свідчило про те, що і в фурмі доменної печі відновлюються колишні температурні умови: очевидно, істотнє зниження приходу в фурму оксиду заліза, визначуване вдуванням додаткового палива, частково розвантажує його від відновлюваної роботи і витрат тепла, що зумовлює можливість ведення процесу на нижчому температурному рівні.

Оскільки при вдуванні в фурму природного газу зниження приходу в горн оксиду заліза орієнтовно удвічі більше, ніж при вдуванні пиловугільного палива, то і ефект дії цього заходу на температурний режим горна відповідно більший. При вдуванні у фурму природного газу і пиловугільного палива вказані ефекти підсумовуються, забезпечуючи відповідне поліпшення умов нагріву продуктів плавки, десульфурації чавуну.



1.5 Зміна окислювальної здатності фурмених зон



Переважаюче горіння пиловугільного палива і природного газу у фурмі доменної печі і на периферії окислювальної зони визначає витрату на ці реакції до 50 % кисню дуття. Подальше зниження витрати коксу і збільшення витрати пиловугільного палива до 150 кг/т чавуну можуть сприяти подальшому зниженню вмісту кисню в горновому газі в основному об'ємі фурмених зон.

Відмічене зниження окислювальної здатності газової фази фурмених зон може сприяти також обмеженню процесу вторинного окислення основних елементів чавуну Fe, Si, Mn.

Для оцінки впливу пиловугільного палива на температуру продуктів плавки полечені рівняння теплового балансу для нижньої зони теплообміну для початкових (індекс 0) і нових (індекс 1) умов плавки. Приймаючи для цих умов t0=t1, tH0=tH1=tH маємо(1.5.1):

З цього рівняння (1.5.1) виходить, що температура продуктів плавки при роботі доменної печі з вдуванням пиловугільного палива може зрости орієнтовно на 2-3% внаслідок зниження ступеня прямого відновлення і зменшення окислювальної здатності газової фази фурмених зон, що визначають зниження приходу в горн оксиду заліза і підвищення відношення Wш0/Wш1

Наслідком повного згоряння пиловугільного палива і зменшення окислювального потенціалу фурмених зон можуть бути наступні сприятливі зміни:

повне згоряння палива в межах фурмених зон виключає або ускладнює можливість попадання порошкоподібного вуглецю в шлак, пори коксу і так далі, що виключає можливість порушення дренажної здатності сурми і створює об'єктивні передумови для подальшого ефективного збільшення витрати додаткового палива;

значне зниження окислювального потенціалу фурмених зон. посилене зниженням показника прямого відновлення закису заліза, також визначуваним вдуванням пиловугільного палива, сприяють зменшенню приходу в нижню високотемпературну зону сурми інтенсивного охолоджувача - оксиду заліза, що може сприяти поліпшенню нагріву продуктів плавки, відновлення кремнію і марганцю, десульфурації чавуну.

В той же час, підвищення вмісту сірки в сурмовому газі, визначене відповідним збільшенням її приходу за рахунок згоряння пиловугільного палива, сприяє підвищенню її вмісту в чавуні.

Зменшення окислювального потенціалу фурмених зон, деяке зниження дійсної температури сурмових газів і приходу до сурми оксиду заліза можуть сприяти розширенню протяжності фурмених зон за вмістом діоксиду вуглецю.

За інших рівних умов перераховані зміни можуть сприяти поліпшенню сходу шихти, зниженню потреби тепла в сурмі і, таким чином, отриманню додаткової економії коксу, зростанню продуктивності печі, тобто у результаті -підвищенню ефективності застосування пиловугільного палива.



1.6 Особливості процесу десульфурації чавуну



При роботі доменної печі з вдуванням до сурми пиловугільного палива мають місце наступні принципові особливості процесу десульфурації чавуну: кокс, що містить спочатку 1,2 - 1,6 % S і витрата якого при вдуванні пиловугільного палива складає 400-450кг на т чавуну, поступає у фурмені зони, втративши 50% сірки. У той час пиловугільне паливо, витрата якого в сприятливих шихтових умовах може скласти 100 кг/т чавуну і більш, містить в середньому до 1% S, яка повністю переходить в газову фазу фурмених зон. Отже, кількість сірки, перехідної в газову фазу фурменої зони при вдуванні в сурму пиловугільного палива, може збільшуватися, що, в першу чергу, може сприяти підвищенню вмісту сіркі в чавуні.

Розрахунки, виконані по методиці В.І. Явойського і Н.М. Чуйко, показали, що між чавуном і шлаком у фурмених зонах практично досягається рівновага, причому величина коефіцієнта розподілу сірки на порядок нижче (4-8 одиниць), ніж в кінцевому шлаку (рис.5). Це визначається окислювальним середовищем фурмених зон і високим вмістом оксиду заліза в шлаках (рис. 4, 5). 

Несприятлива зміна при вдуванні в сурму пиловугільного палива балансу приходу сіркі у фурмені зони до певної міри компенсується зниженням вмісту в шлаках фурмених зон оксиду заліза, поліпшенням умов нагріву продуктів плавки і можливим підвищенням їх температури. Ці обставини і визначають збереження якості чавуну за вмістом сіркі при вдуванні в сурму на 1 т чавуну до 100кг пиловугільного палива при рівному її приході до печі з шихтою.



1.7 Регулювання теплового режиму доменної плавки за допомогою ПВП



Регулювання теплового стану доменної печі "зверху" пов'язане із значним запізнюванням в часі, обумовленим переміщенням шихтових матеріалів по висоті печі, інерційністю теплових процесів. Для підвищення якості регулювання "верхні" регулюючі дії необхідно поєднувати з діями "знизу", які практично не мають тимчасового запізнювання.

Серед методів регулювання теплового стану доменної печі разом із зміною температури і вологості дуття найбільш економічною і перспективною є зміна кількості вдуваних у сурму газоподібних, рідких і твердих палив.Для створення системи регулювання теплового стану печі з використанням дій, що управляють "знизу", досліджували динаміку доменного процесу за допомогою запропонованих каналів управління.

Встановлений складний характер впливу зміни витрати природного газу і мазута на вміст кремнію в чавуні. Так, збільшення витрати природного газу або мазуту спочатку викликає зниження нагріву сурми і зменшення вмісту кремнію в чавуні. Через деякий час, в зв'язку з інтенсифікацією ходу відновлюваних процесів в печі, починає виявлятися вторинний ефект, що полягає в підвищенні нагріву сурми.

Повний ефект регулювання вмісту кремнію в чавуні за допомогою зміни витрати природного газу досягається через 10-16 годин.

Складний і тривалий характер перехідних процесів при зміні витрат природного газу і мазуту ускладнює використання цих паливних добавок для оперативного регулювання нагріву сурми печі.

Пиловугільне паливо, близьке по хімічному складу до коксу, не викликає істотних змін в складі і кількості фурмених газів, зміна його витрати повинна впливати на вміст кремнію в чавуні по менш складному закону.

Різка зміна витрати пиловугільного палива позначається на зміні кількості Si в чавуні вже на наступному випуску. Час запізнювання перехідного процесу складає 0,5г. У реальних умовах доменної плавки цією величиною можна нехтувати; постійна часу складає 3,5г. Повний ефект регулювання практично досягається через 8-9г. (в середньому на третьому випуску).

Рівняння перехідного процесу зміни вмісту кремнію в чавуні при зміні витрати пиловугільного палива записується у вигляді(1.7.1):

ΔGПВП зміна витрати пиловугільного палива, кг/т; τ- поточний час від моменту нанесення обурення, години



1.8 Технологія доменної плавки при вдуванні ПВП



Зарубіжний досвід свідчить, що подача максимальної кількості ПВП - 230 кг/т (чавуну) і його ефективне використання можливі тільки в тому випадку, якщо в печі будуть створені необхідні умови.

Серед них: поліпшення фракційного складу шихти; зниження виходу шлаку; підвищення вмісту заліза в агломераті; поліпшення якості коксу по показнику гарячої міцності до 60-70 %.

Для поліпшення газопроникливості стовпа шихти і коксового «ютермана» рекомендується працювати з розпушеним центром печі, тобто робочі подачі коксу фракції +45 мм завантажувати в центр, а робочі подачі, що складаються з коксу фракції +40 мм, коксового горішка і залізорудних матеріалів - в периферійну і проміжну зони колошника.

Домна повинна працювати на максимально допустимому тиску газів у печі. Це дозволить зменшити негативний вплив погіршення газопроникності за рахунок зменшення частки коксу у в стовпі шихти.

Необхідно підвищувати вміст кисню в дутті, що забезпечить збереження теоретичної температури горіння на оптимальному рівні і скоротить вихід сурмових газів на тонну чавуну. Для досягнення максимального ступеню окислення вуглецю у фурм рекомендується подавати кисень у факел горіння ПВП, а вугілля нагрівати доменним газом з добавками стимуляторів горіння.

Зміна опору руху газів розраховується по формулі (1.8.1):

де Pg i Pk- тиск дуття і колошникового газу, кПа;

Vф.г- об'єм сурменого газу, м3/хв.

Потрібно формувати зону плавлення у вигляді перевернутої букви V з одночасним збільшенням кута її нахилу. Це дозволить збільшити кількість «коксових віконець» в ній і знизити опір проходу газів, забезпечити рівномірну роботу фурмених вогнищ по колу сурми шляхом регулювання витрати ПВП по фурмам для досягнення рівності їх температур.



2. Методика виконання технологічних розрахунків



Метою розрахунку є вивчення впливу збільшення витрати ПВП на техніко-економічні показники плавки. Об'єми витрати ПВП представлені в таблиці 1. Для вирішення цього питання дається п'ять варіантів розрахунків показників доменної плавки.



Таблиця 1. Варіанти витрати ПВП.

Варіанти

Витрати ПВП ,кг/т чавуну

Витрати природного газу

м3/т чавуну

1

0

100

2

30

75

3

60

50

4

90

25

5

120

0


Таблиця 2. Хімічний склад вдуваного ПВП %.

C

H

S

W

N

O

A

65,65

4,92

0,85

1

0,47

0,102

11,5



Технологічні розрахунки виконують на персональному комп'ютері,
який за відповідною програмою обчислює теоретичні дані.
Результатом обчисленьє вихід машинних даних, представлених в додатку А, після яких дається таблиця з розшифровкою отриманих розрахунковим шляхом показників доменної плавки, представлених у додатку Б.


3. Графічний аналіз впливу витрати ПВП на основні технологічні показники доменної плавки



Застосування ПВП знижує витрата коксу, оскільки вуглець ПВП замінює еквівалентну кількість вуглецю коксу (рис 3.1). 

Наслідком зниження витрати коксу є зниження загального приходу сірки з шихтою (рис3.2). 

Спостерігається зниження виходу горнових газів, визначене скороченням витрати коксу (рис 3.6). 

Спостерігається підвищення теоретичної температури горіння у зв'язку з скороченням витрати природного газу і зниженням виходу горнових газів .


Висновки



1. Технологія доменної плавки з вдуванням в сурму природного газу, що вимагає щорічно в Україні 2,5 млрд м3 газу, в економічних умовах, що склалися, менш ефективна в порівнянні з використанням пиловугільного палива. Визначальний показник, що характеризує переваги ПВП - можливість заміни вугільним пилом в 2-3 рази більшої кількості коксу. Застосування пиловугільного палива дозволяє значно скоротити витрату коксу і природного газу, а також підвищити продуктивність доменних печей.

2. Одночасно із збільшенням витрати ПВП необхідно застосовувати компенсуючі заходи, які повинні нейтралізувати негативний вплив комбінованого дуття на технологічний режим: зниження витрати природного газу, збагачення дуття киснем, підвищення температури дуття до 1200 °С.

3. Проведений аналіз показав, що вдування ПВП в доменні печі економічно виправдане вже в теперішній час. Для умов України (за відсутності власного природного газу і все зростаючому дефіциті коксу і коксующогося вугілля) воно необхідне.


Перелік посилань



	 «Выплавка чугуна с применнением пылеугольного топлива» Ярошевский СЛ. М.: Металлургия, 1988. 176 с.

	Минаев A.A., Рыженков АН., Банников Ю.Г., Ярошевский СЛ., Коновалов Ю.В.. Кузин A.B. «Перспективы применения пылеугольного топлива в доменных цехах Украины и России» //Сталь. 2008. № 2. С 5-11.

	Параманатан Б., Плоой Д.. Геердес М. и др. «Использование вдувания пылеугольного топлива для оптимизации работы доменной печи» // Сталь. 2005. № 10. С. 58-U.

	Васюра Г.Г. «Определение показателей доменной плавки при использовании пылеугольного топлива» // Сталь. 2007. № 7. С. 11-14.

	Шмит Л. «Развитие технологии и оборудования для вдувания пылеугольного топлива в доменную печь» // Сталь. 2002. № 11. С. 9-12.