УСТАНОВКА ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ОТРАБОТАННЫХ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПРИ ПРОИЗВОДСТВЕ ГУБЧАТОГО ЖЕЛЕЗА

Заявляемое техническое решение относится к металлургии и электроэнергетике и может быть использовано для утилизации тепла дымовых газов, отходящих из вращающейся печи при производстве губчатого железа.
Из уровня техники известна установка, реализующая способ восстановления железной руды твердым восстановителем [Под ред. Н.А. Тулина, К. Майера Развитие бескоксовой металлургии. М.: Металлургия, 1987 г. стр.39-41, рис.1.19], содержащая вращающуюся обжиговую печь, снабженную рядом воздушных фурм, распределенных по всей ее длине, измерительные устройства, с помощью которых обеспечивают поддержание заданного температурного режима по длине печи, шлюз для загрузки во вращающуюся печь исходного материала, содержащего железную руду, уголь (восстановитель) и известняк (десульфуратор), устройство для вдувания угля в воздушном потоке в печь, вращающийся охладитель, обычно выполненный в виде барабана, снаружи орошаемый водой, грохот, магнитный сепаратор и шлюз для выгрузки готового продукта (губчатого железа).
Вращающаяся печь и охладитель защищены от неконтролируемого проникновения воздуха при помощи уплотнений со шлифованными (притертыми) кольцами.
Вращающаяся печь снабжена первой камерой дожигания, соединенной с котлом-утилизатором через вторую камеру дожигания, а котел-утилизатор соединен с электрофильтром, который отделяет отходящий в атмосферу газ от пыли.
При всех достоинствах данной установки она имеет недостаток, связанный с проблемой работы котла-утилизатора в летнее время с низким потреблением пара и вторичного тепла.
Из уровня техники известно устройство для охлаждения и утилизации тепла отходящих из печи газов [патент RU №2082929, МПК F27D 17/00, опубл. 27.06.1997 г], содержащее печь процесса жидкофазного восстановления железа с теплообменными поверхностями, подключенные к контуру циркуляции теплоносителя, сообщенного с пароводяным контуром, включающим соединенные посредством пароводяных трубопроводов парогенератор, паротурбинную установку с конденсатором, электрогенератором и системой регенеративного подогрева питательной воды, питательный насос, средства охлаждения газоотводящего тракта. Устройство снабжено дополнительным контуром циркуляции теплоносителя, при этом оба контура заполнены жидкометаллическим теплоносителем, причем вход в теплообменные поверхности корпуса печи соединен трубопроводом жидкометаллического теплоносителя через насос принудительной циркуляции теплоносителя с парогенератором, а средства охлаждения газоотводящего тракта выполнены в виде последовательно расположенных за печью и связанных газоходами высокотемпературного теплообменника низкотемпературного теплообменника, соединенных посредством трубопроводов с контуром циркуляции жидкометаллического теплоносителя. Вход высокотемпературного теплообменника соединен трубопроводами жидкометаллического теплоносителя с выходом теплообменных поверхностей корпуса печи, а его выход подключен к парогенератору с образованием основного контура циркуляции теплоносителя. Кроме того, вход низкотемпературного теплообменника подсоединен к основному контуру циркуляции параллельно входу в теплообменные поверхности корпуса печи посредством трубопроводов жидкометаллического теплоносителя, подключенных после насоса его принудительной циркуляции, а выход низкотемпературного теплообменника к входу высокотемпературного теплообменника с образованием дополнительного контура циркуляции жидкометаллического теплоносителя.
Недостатком известного технического решения является низкая эффективность утилизации печных газов из-за больших потерь (около 60%) на конденсацию отработавшего в конденсационной турбине пара.
Из уровня техники известна установка для производства губчатого железа прямым твердофазным восстановлением из его оксидов [патент RU №77866, МПК С21В 13/08, опубл. 10.11.2008 г], содержащая противоточную трубчатую вращающуюся печь, снабженную загрузочной и разгрузочной головками, фурмы для нагнетания воздуха во вращающуюся печь, расположенные по ее длине на корпусе печи, трубчатый вращающийся холодильник, над корпусом которого расположены душевые устройства, соединенные с системой оборотного водоснабжения, систему грохочения и систему магнитной сепарации. Загрузочная головка вращающейся печи соединена с системой подачи материала, содержащего оксид железа в виде железорудных офлюсованных окатышей вместе с крупнокусковым углем. Разгрузочная головка вращающегося холодильника герметично соединена с системой грохочения и системой магнитной сепарации.
В торцевой части разгрузочной головки вращающейся печи установлена пусковая жидко-топливная горелка (форсунка), соединенная с системой топливоподачи, а также, по крайней мере, одна пневматическая пушка, соединенная с системой подачи мелкокускового угля и системой сжатого воздуха.
При помощи пусковой жидко-топливной горелки путем сжигания жидкого (дизельного) топлива производят первичный розжиг вращающейся печи.
3
Недостаток известной установки заключается в низкой эффективности использования твердого угольного топлива в производстве губчатого железа во вращающейся печи из-за отсутствия конструктивных решений по утилизации тепла отходящих из вращающейся печи дымовых газов. Температура отходящих из вращающейся печи металлизации железорудного сырья дымовых газов может составлять 500÷700°С при их расходе 80÷100 тыс.м/ч. Они представляют собой огромный источник вторичного тепла. В то же время на многих предприятиях остро ощущается дефицит электроэнергии.
Задачей предлагаемого технического решения является повышение эффективности использования твердого угольного топлива при производстве губчатого железа во вращающейся печи за счет введения в конструкцию установки технических решений по утилизации тепла отходящих из вращающейся печи дымовых газов.
Поставленная задача достигается тем, что установка для утилизации тепла отработанных дымовых газов при производстве губчатого железа прямым твердофазным восстановлением из его оксидов, выполнена в виде котла-утилизатора, подключенного к резервной линии подачи топлива и соединенного с турбогенератором водяного пара, который включает кинематически связанную с соответствующим электрогенератором турбину водяного пара, соединенную с упомянутым котлом-утилизатором посредством впускного паропровода и посредством выпускного паропровода с испарителем низкокипящей жидкости, соединенным с турбогенератором низкокипящей жидкости, который включает кинематически связанную с соответствующим электрогенератором турбину низкокипящей жидкости, соединенную с испарителем низкокипящей жидкости посредством впускного паропровода и посредством выпускного паропровода с конденсатором низкокипящей жидкости, причем конденсатор низкокипящей жидкости посредством насоса в линии отвода конденсата низкокипящей жидкости подключен к испарителю низкокипящей жидкости, который подключен к упомянутому котлу-утилизатору посредством насоса в линии отвода конденсата водяного пара, при этом котел-утилизатор снабжен соответствующими дымоходами для соединения с загрузочной головкой противоточной трубчатой вращающейся печи для производства губчатого железа и с конвейерной решеткой для подогрева подаваемых в печь железорудных офлюсованных окатышей.
На чертеже представлена схема заявляемой установки для утилизации тепла отработанных дымовых газов при производстве губчатого железа со следующими обозначениями: 1 - противоточная трубчатая вращающаяся печь; 2 - загрузочная головка печи; 3 - разгрузочная головка печи; 4 - пусковая жидко-топливная форсунка; 5 - пневматическая пушка; 6 - система подачи топлива в виде мелкокускового угля; 7 - система подачи сжатого воздуха; 8 - фурмы для нагнетания воздуха во вращающуюся печь; 9 - трубчатый вращающийся холодильник; 10 - загрузочная головка холодильника; 11 - разгрузочная головка холодильника; 12 - система грохочения; 13 - система магнитной сепарации; 14 - душевые устройства, соединенные с системой оборотного водоснабжения; 15 - склад; 16 - входной золоуловитель; 17 - котел-утилизатор; 18 - система подачи резервного топлива; 19 - турбина водяного пара; 20 - электрогенератор турбоагрегата водного пара; 21 - испаритель низкокипящей жидкости; 22 - питательный насос в линии отвода конденсата водяного пара; 23 - турбина низкокипящей жидкости; 24 - электрогенератор турбоагрегата низкокипящей жидкости; 25 - конденсатор низкокипящей жидкости; 26 - питательный насос в линии отвода конденсата низкокипящей жидкости; 27 - конвейерная решетка; 28 - выходной золоуловитель; 29 - дымосос; 30 - дымовая труба; ДГ - дымовые газы; РТ - резервное топливо; Пар - паропровод.
Установка для производства губчатого железа содержит противоточную трубчатую вращающуюся печь 1, снабженную загрузочной 2 и разгрузочной 3 головками. Загрузочная головка печи 2 соединена с системой подачи материала, содержащего оксид железа в виде железорудных офлюсованных окатышей вместе с крупнокусковым углем. В торцевой части разгрузочной головки печи 3 установлены пусковая жидко-топливная форсунка 4 и пневматическая пушка 5. Пусковая жидко-топливная форсунка 4 соединена с системой топливоподачи (дизельное топливо) и системой подачи воздуха. Пневматическая пушка 5 соединена с системой подачи 6 топлива в виде мелкокускового угля и системой подачи сжатого воздуха 7. По длине вращающейся печи 1 на ее корпусе расположены фурмы 8 для нагнетания воздуха во вращающуюся печь. Установка содержит трубчатый вращающийся холодильник 9, над корпусом которого расположены душевые устройства 14, соединенные с системой оборотного водоснабжения. Разгрузочная головка вращающейся печи 3 герметично соединена с загрузочной головкой вращающегося холодильника 10, а разгрузочный головка холодильника 11 герметично соединена с системой грохочения 12 и системой магнитной сепарации 13.
Установка для утилизации тепла отработанных дымовых газов при производстве губчатого железа выполнена в виде котла-утилизатора 17, подключенного к системе подачи резервного топлива 18. Котел-утилизатор 17 соединен с турбогенератором водяного пара, который включает кинематически связанную с соответствующим электрогенератором 20 турбину 19 водяного пара. Турбина 19 водяного пара соединена с котлом-утилизатором 17 посредством впускного паропровода и посредством выпускного паропровода с испарителем 21 низкокипящей жидкости. Испаритель 21 низкокипящей жидкости соединен с турбогенератором низкокипящей жидкости, который включает кинематически связанную с соответствующим электрогенератором 24 турбину 23 низкокипящей жидкости. Турбина 23 низкокипящей жидкости соединена с испарителем 21 низкокипящей жидкости посредством впускного паропровода и посредством выпускного паропровода с конденсатором 25 низкокипящей жидкости. Конденсатор 25 низкокипящей жидкости посредством насоса 26 в линии отвода конденсата низкокипящей жидкости подключен к испарителю 21 низкокипящей жидкости, который подключен к котлу-утилизатору 17 посредством насоса 22 в линии отвода конденсата водяного пара. При этом котел-утилизатор 17 снабжен соответствующими дымоходами для соединения с загрузочной головкой 2 противоточной трубчатой вращающейся печи 1 для производства губчатого железа и с конвейерной решеткой 27 для подогрева подаваемых в печь железорудных офлюсованных окатышей.
Конвейерная решетка 27 подогрева железорудных офлюсованных окатышей посредством выходного дымохода соединена с выходным золоуловителем 28. Выходной золоуловитель 28 подключен к дымососу 29, соединенному с дымовой трубой 30.
Предлагаемая установка для утилизации тепла отработанных дымовых газов при производстве губчатого железа работает следующим образом.
Вначале производят розжиг вращающейся печи 1 путем сжигания предварительно распыленного жидкого топлива при помощи пусковой жидко-топливной форсунки 4, соединенной с системой топливоподачи (дизельное топливо) и системой подачи воздуха. При достижении температуры в печи 1 около 950÷1000°С включают в работу пневматическую пушку 5, соединенную с системой подачи 6 топлива в виде мелкокускового бурого угля и системой сжатого воздуха 7. Под действием пневматической пушки 5 мелкокусковой уголь распределяется вдоль вращающейся печи 1 в зависимости от его крупности. Наиболее крупные фракции угля распределяются ближе к загрузочной головке печи 2, наиболее мелкие фракции распределяются ближе к разгрузочной головке печи 3. Для равномерного горения угля и стабилизации температурного поля по длине вращающейся печи 1 применяют фурмы 8 для нагнетания воздуха в печь 1.
Отходящие из вращающейся печи 1 дымовые газы направляются во входной золоуловитель 16, где они подвергаются первичной пылеочистке. Очищенные дымовые газы поступают в котел-утилизатор 17. Дымовые газы, отработавшие в котле-утилизаторе 17, имеют достаточно высокую температуру, поэтому направляются в конвейерную решетку 27 для подогрева холодных железорудных офлюсованных окатышей, входящей в состав системы подачи материала.
Подогретые железорудные офлюсованные окатыши смешивают с крупнокусковым углем и полученный материал (шихту) через загрузочную головку печи 2 подают во вращающуюся печь 1. Загрузка в печь 1 подогретой шихты позволяет повысить эффективность утилизации тепла отходящих из вращающейся печи дымовых газов
Процесс восстановления железа из оксидов проходит путем последовательного перехода от высших оксидов к низшим по схеме:
2
3
3
4
FeO→FeO→FeO→Fe.
В качестве восстановителя при проведении металлизации во вращающейся трубчатой печи выступает оксид углерода СО. Восстановитель СО генерируется в слое загружаемой шихты за счет реакции диоксида углерода, образующегося при сжигании твердого угольного топлива:
2
С+CO=2СО.
Восстановление железа начинается от загрузочной головки 2 и заканчивается в разгрузочной головке 3, куда загружаемая шихта перемещается под действием силы тяжести при вращении корпуса печи 1. При перемещении загружаемой шихты в корпусе печи 1 металлизация окатышей увеличивается и достигает максимального значения в разгрузочной головки печи 3, когда процесс восстановления железа завершается. Получаемые на выходе из печи 1 металлизованные окатыши железа прямого восстановления, имеют пористую структуру, называемую губчатым железом. Далее из печи 1 металлизованные окатыши через разгрузочную головку 3 поступают в охлаждаемый трубчатый вращающийся холодильник 9 через его загрузочную головку 10, где их температура понижается до 80÷100°С. Затем охлажденные металлизованные окатыши вместе с золой угля через разгрузочную головку 11 охлаждаемого вращающегося холодильника 9 поступают в систему грохочения 12, где частично отделяется зола, и далее в систему магнитной сепарации 13 с последующим складированием на складе 15 готового продукта.
Посредством котла-утилизатора 17 получают острый пар. Острый пар из котла-утилизатора 17 попадает в паровую турбину 19, где расширяясь, вращает ротор турбины 19 и создает крутящий момент электрогенератора 20. Полученная электрическая энергия поступает к потребителю.
Для непрерывного производства электроэнергии и для дожигания смолистых веществ дымовых газов вращающейся печи 1 в случае ее технологической остановки котел-утилизатор 17 подключен к системе подачи резервного топлива 18.
Отработавший в турбине 19 водяной пар попадает в испаритель 21, где отдает свою энергию низкокипящей жидкости. При этом отработавший пар конденсируется в испарителе 21 и при помощи питательного насоса 22 в линии отвода конденсата возвращается в котел-утилизатор 17, создавая конденсационный контур водяного пара. Низкокипящая жидкость из испарителя 21 попадает в турбину 23, где, вращая ее ротор, создает крутящий момент электрогенератора 24. Полученная электрическая энергия поступает к потребителю. Отработавший пар низкокипящей жидкости конденсируется в конденсаторе 25 и при помощи питательного насоса 26 в линии отвода соответствующего конденсата возвращается в испаритель 21, создавая конденсационный контур пара низкокипящей жидкости.
Отработавшие дымовые газы из выходного дымохода конвейерной решетки 27 направляются в выходной золоуловитель, где подвергаются окончательной пылеочистке. Далее очищенные газы посредством дымососа 29 поступают в дымовую трубу 30, откуда уходят в атмосферу.
В целом предлагаемое техническое решение позволяет повысить технико-экономические показатели производства губчатого железа, а также уменьшить дефицит электроэнергии на предприятии.