13.5. Вдувание в горн природного газа и других углеводородсодержащих добавок к дутью

Предложения о вдувании в доменную печь углеводородсодержащих до­бавок (мазута, нефти, коксового газа и др.) с целью замены части кокса были высказаны еще в XIX в.

Первые в мировой практике промышленные опыты использования при­родного газа в доменном производстве относятся к октябрю 1957 г., когда на одну из доменных печей Днепропетровского металлургического завода им. Петровского подали природный газ Шебелинского месторождения. Уже в пер­вые дни при расходе природного газа 70-90 м^э/т чугуна расход кокса умень­шился на 10-14%. Высокая эффективность природного газа предопределила быстрое его распространение на другие заводы.

Используя естественное давление природного газа, после редуцирования его подают без дополнительного компримирования в печь вместе с нагретым дутьем через фурмы в зоны горения. Природный газ состоит, в основном, из метана СН₄ (> 90%), остальное - более тяжелые углеводы состава C_nH_m и незначительные количества (< 1%) СО,, N₂ и др. Смешиваясь с дутьем в фурме и в кислородной зоне, природный газ реагирует с кислородом (сгорает) по следующим реакциям:

СН₄ +2О₂ = СО₂ + 2H₂O;

СН₄+1,5О₂ = СО + 2Н₂О;

СН₄ + 0,5О₂ = СО+2Н₂.

Реакциям горения предшествует разложение углеводородов природного газа, протекающее с затратой тепла, например:

СН₄ = С + 2Н₂ - 79, 449 МДж.

За пределами кислородной зоны образовавшиеся СО₂ и Н₂0 взаимо­действуют с углеродом кокса, превращаясь в СО и Н₂:

СО₂ + С = 2СО; Н₂О + С=Н₂ + СО.

Таким образом, вне окислительной зоны, где невозможно существова­ние СО₂ и Н₂О в присутствии углерода образуется только смесь СО и Н₂. Ре­зультирующая реакция сгорания метана природного газа в горне доменной печи при сухом атмосферном дутье с учетом теплового эффекта описывается урав­нением:

СН₄ + 0,50₂ + 0,5 • 3,76 N₂ = СО + 2Н₂ + 1,88 N₂ + 38,116 МДж.

Если не учитывать кратковременности существования образующихся при сгорании природного газа СО₂ и Н₂О, которые влияют только на распределе­ние температуры в окислительной зоне и на ее объем, но не влияют на баланс тепла в зоне горения, то реакцию эту в тепловом отношении можно рассмат­ривать как состоящую из двух реакций:

СН₄ = С + 2Н₂ - 79,449 МДж

+

С + 0,5 О₂ + 0,5 • 3,76 N₂ = СО + 1,88N₂ + 117, 565 МДж,

___________________________________________________

СН₄+ 0,5О₂ + 0,5 -3,76N₂ = СО + Н₂ + 1,88 N₂ + 38, 116 МДж.

При вдувании природного газа в горн печи в ходе доменного процесса возникают изменения, вызывающие в свою очередь изменения в результатах работы печи, которые по данным проф. А.Н. Рамма характеризуются зависи­мостями, показанными на рис. 13.4.

Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет: 1) увеличения непрямого и уменьшения прямого восстановления; 2) замены части углерода кокса углеродом природного газа; 3) уменьшения прихода серы в печь, основности и выхода шлака вследствие снижения расхода кокса, вызываемого первыми двумя факторами.

Н аибольшая доля экономии кокса получается от увеличения непрямого восстановления за счет восстановительной работы водорода, образующегося из природного газа в горне. Если при обычных условиях доменной плавки на увлажненном дутье участие водорода в непрямом восстановлении составляет 7-9%, то при вдувании природного газа оно возрастает до 25-30%. Увеличение расхода природного газа до 0,4 м³ на 1 кг сгорающего у фурм углерода (100-120 м³/т чугуна) уменьшает степень прямого восстановления с 0,55 до 0,27-0,29 (рис. 13.4, а). В соответствии с изменением степени прямого восста­новления изменяется и относительный расход кокса (рис. 13.4, б).

Расход природного газа при выплавке передельного чугуна в зависимос­ти от условий работы печей изменяется в пределах от 60 до 150 м³ на 1 т чугуна, чаще всего составляя 70-90 м³/т чугуна. Относительный расход кокса сокращается на 10—14%, а иногда и больше. Эквивалент замены кокса природ­ным газом изменяется в пределах от 0,6 до 0,8 кг на 1 м³ газа. При выплавке литейного чугуна расход природного газа и экономия кокса несколько ниже, а при выплавке высококремнистого литейного чугуна и доменных ферроспла­вов природный газ вообще не применяют вследствие понижения температуры в горне печи.

Замена углерода кокса углеродом природного газа неравноценна в теп­ловом соотношении. Сравним результирующую реакцию сгорания углерода метана с реакцией сгорания кокса:

С + 0,5О₂+0,5 • 3,76 N₂ = СО + 1,88N₂ + 117, 565 МДж.

Количество тепла, выделяющееся при сгорании единицы углерода мета­на в горне доменной печи, в три раза меньше, чем при сгорании единицы угле­рода кокса. Различие в тепловых эффектах этих реакций объясняется затратой тепла на разложение метана и численно равно тепловому эффекту реакции СН₄ = С + 2Н₂ - 79,449 МДж:

117, 565 МДж - 38, 116 МДж = 79, 449 МДж.

Сравним теперь количество газа, образующегося при сгорании одинако­вых количеств углерода кокса и углерода метана. При сгорании единицы угле­рода кокса получается 2,88 объема газа, а при сгорании единицы углерода метана - 4,88 объема, т. е. в 1,7 раза или на 70% больше. На нагрев большего коли­чества газа до температуры в зоне горения потребуется и больше тепла. Если учесть, что приход тепла в горн от сгорания единицы углерода метана в три раза меньше, а количество образующегося газа на 70% больше, чем при сгорании единицы уг­лерода кокса, то станет ясно, что с применением природного газа температура горна понижается. Понижению температуры в горне способствует также и то, что кокс приходит в зону горения нагретым до 1400-1500 °С, а природный газ вдувается холодным (от -2 до +4 °С). Кроме того, при вдувании природного газа для сохранения оптимального газодинамического режима приходится уменьшать количество дутья, подаваемого в единицу времени в горн печи, а следовательно, уменьшать вносимое им количество тепла.

Компенсировать понижение температуры в горне можно увеличением нагрева дутья, уменьшением содержания влаги в нем или обогащением дутья кислородом. Для поддержания нормального нагрева горна температура дутья должна быть повышена из расчета 4 °С на каждый 1 м³ вдуваемого природно­го газа на 1 т чугуна. Если не компенсировать снижение температуры горна, то возможная при вдувании природного газа экономия кокса будет меньшей или ее может не быть вовсе. Поэтому лучший эффект от применения природ­ного газа получили на тех печах, где оказалось возможным соответственно повысить температуру дутья. По этой же причине и содержание влаги в дутье понизили до верхнего уровня возможной естественной влажности, обеспечив постоянство влажности дутья.

Для устранения понижения температуры в горне было предложено вду­вать в доменные печи продукты разложения (конверсии) природного газа СО и Н₂, предварительно нагретые до температуры 1000 °С. Однако проведенные на меткомбинате «Азовсталь» опытные плавки с вдуванием в горн конверти­рованного природного газа не получили промышленного внедрения вследствие конструктивных недостатков установок для конверсии природного газа и не­достаточной стойкости элементов воздушного тракта.

Недостатком применения природного газа является ухудшение газоди­намических условий вследствие увеличения объема горновых газов при сни­жении газопроницаемости столба шихты, вызванных уменьшением расхода кокса. Для сохранения условий нормального опускания шихты при вдувании природного газа уменьшают расход дутья, вследствие чего интенсивность хода печи по сжигаемому коксу уменьшается (рис. 13.4, в). Уменьшение расхода кокса должно сопровождаться соответствующим улучшением механических свойств компонентов шихты, повышением давления газов в рабочем простран­стве доменной печи и содержания кислорода в дутье.

В качестве добавок к дутью с целью экономии кокса на некоторых заво­дах вдувают в печь коксовый газ, мазут, пылеугольное топливо или угольную суспензию, состоящую из мазута и измельченного малосернистого угля.

Вдувание в печь газообразных и жидких углеводородов вызывает изме­нения в ходе доменного процесса и показателях работы, аналогичные измене­ниям при вдувании природного газа с той лишь разницей, что они могут быть большими или меньшими - в зависимости от состава углеводородов.

При вдувании коксового газа в горн доменной печи на Макеевском ме­таллургическом заводе и Кузнецком металлургическом комбинате в количе­стве 92,8 м³/т чугуна расход кокса снизился на 9,6%, а производительность печи увеличилась на 4,2%. Коксовый газ содержал около 60% водорода.

Для вдувания коксового газа требуется сооружение специальных газодувок и очистка газа от смолистых веществ, вследствие чего применение кок­сового газа для доменной плавки промышленного распространения в настоя­щее время не получило.

Более успешно применяется жидкое топливо, особенно мазут. Действие его такое же, как и природного газа, с той лишь разницей, что вследствие вы­сокого отношения углерода к водороду в мазуте эффект замены углерода кокса при вдувании мазута больше, а снижение прямого восстановления меньше, чем при вдувании природного газа. Вдувание мазута в количестве 30-35 кг на 1 т чугуна сокращает расход кокса на 8-16% и повышает производительность печи на 2—9%. Эквивалент замены кокса мазутом составляет 1,2—1,4 кг на 1 кг мазута.

Вдувание измельченного угля в зону горения позволяет частично исполь­зовать некоксующиеся угли и значительно сократить удельный расход кокса. Технология использования пылеугольного топлива в доменной печи будет рас­смотрена далее.