13.7. Применение пылеугольного топлива в доменных печах и технология его приготовления

Начиная с 1960 года, интенсивно проводились исследования влияния и эффективности подачи в горн доменной печи углеродсодержащих добавок, в том числе пылеугольного топлива (ПУТ), а также совместно с ним молотого флюса, окалины и колошниковой пыли. После 80-х годов вдувание ПУТ нахо­дит широкое применение в доменном производстве. Технологическая схема приготовления и вдувания пылеугольного топлива в горн доменной печи с це­лью замены им до 40% кокса подразделяется на такие основные последова­тельные операции:

выбор марки, крупности угля и его подготовка;

помол угля или угольного концентрата до крупности частиц порядка 80-90 мкм с одновременной сушкой в газовом потоке для снижения содержания влаги в топливе с 10-15% до 1%;

накопление ПУТ в бункерах;

дозирование и последующий ввод ПУТ в доменную печь через воздушные фурмы.

В настоящее время ПУТ вдувают более чем на 100 доменных печах в мире с расходом от 70 до 250 кг на 1 т чугуна. Для приготовления и вдувания ПУТ разработаны и эксплуатируются на практике несколько систем:

«Армко и Петрокарб» - США;

«Поль Вюрт» - Люксембург;

«Кютнер» и «Клёкнер» - Германия;

«Макобер» - Англия;

«Кавасаки Дэнка» и «Кобэлко» - Япония;

«Хооговенс» - Голландия;

«НМетАУ - УЭЧМ» - Украина.

Главная цель применения ПУТ - замена части кокса на более дешевый вид углеродсодержащего топлива, в основном, из неспекающихся марок углей.

В последние годы рост цен на природный газ, мазут и нефть привел к тому, что их применение в доменном производстве становится экономически нецелесообразным. Особенно это относится к Украине, где собственная добы­ча газа и нефти не превышает 20% потребности, а 80% составляет импорт из России, Азербайджана, Туркмении и других стран.

Пылеугольное топливо по своим технологическим параметрам обеспе­чивает замену кокса с эквивалентом 0,9-1,1 т/т и снижает теоретическую тем­пературу горения в фурменных очагах доменной печи, как и природный газ. При этом 2 кг пылеугольного топлива эквивалентны 1 м³ природного газа в расчете на 1 т чугуна.

Применение пылеугольного топлива позволяет повышать температуру дутья до 1100-1200 °С и увеличить концентрацию кислорода в дутье до 25% и более, сохраняя теоретическую температуру горения в фурменных очагах на уровне 1950-2100 °С при полном выводе природного газа. Это обеспечивает ровный ход доменных печей с к. и. п. о., равным 0,35-0,45 и расходом кокса 300-400 кг/т чугуна, что соответствует достигнутому в мировой практике уровню технологии доменной плавки и способствует повышению конкурентоспособности продукции.

Использование ПУТ при коэффициенте замены кокса, равном 1, снижа­ет затраты по сравнению с ценой на кокс на 35-50%. Кроме этого, затраты на строительство комплекса пылеугольного топлива на порядок ниже, чем на стро­ительство коксохимического завода эквивалентной мощности, а затраты на ремонт комплекса в 1,5 раза меньше, чем на реконструкцию коксовых батарей. В свою очередь, сокращение коксохимического производства благоприятно ска­зывается на сохранении окружающей среды, поскольку производство кокса сопровождается выбросом в атмосферу значительного количества пыли и вред­ных газов (H₂S, NH₃, NHS, SO₂, HCN и др.). Так, при производстве 1 млн. т кокса в атмосферу выбрасывается 6000 т вредных веществ. Вредные выбросы в атмосферу при вдувании ПУТ в десять раз ниже по сравнению с вредными выбросами при производстве того количества кокса, которое заменяет вдувае­мое ПУТ, при этом полностью исключаются выбросы углеводородов, аммиа­ка, фенолов и синильной кислоты.

В настоящее время пылеугольное топливо применяется практически во всех странах с развитым доменным производством (табл. 13.3).

На многих зарубежных фирмах с прекращением использования мазута и природного газа 70-85% чугуна выплавляется с применением пылеугольного топлива. В Японии все доменные печи работают с вдуванием ПУТ.

При приготовлении и вдувании пылеугольного топлива в доменную печь необходимо:

использовать угли с содержанием золы не более 10-12%. При этом следует учитывать твердость и размолоспособность угля, влияющие на производительность мельницы. В СНГ принят коэффициент К_ло* (по методу ВТИ), за рубежом применяется индекс по шкале Хардгроу;

измельчать угли до крупности частиц порядка 80-90 мкм, что продиктовано требованиями пневмотранспорта угольной пыли в горн доменной печи и полнотой сгорания частиц в фурменных очагах при минимальном образовании полукокса, накопление которого в горне приводит к ухудшению газопроницаемости коксовой насадки, дренажа продуктов плавки и нарушению плавности схода шихты;

обеспечить пожаро- и взрывобезопасность комплекса ПУТ путем понижения содержания кислорода в газе-носителе до 8-9 % при транспортировке пыли от мельницы до бункера-накопителя, что достигается контролируемым сжиганием топлива в камерах сжигания и смешиванием перед подачей в валковые мельницы продуктов сгорания** с дымовыми газами воздухонагревателей. В накопительные и дозировочные бункера подается азот под давлением 0,8-1,5 МПа;

обеспечить равномерное распределение ПУТ по воздушным фурмам. Неравномерность подачи угольной пыли между отдельными фурмами не должна превышать ± 3,0%;

использовать в шихте доменных печей материалы с повышенными физикомеханическими свойствами для компенсации снижения газопроницаемости столба шихты, которое связано с выводом из нее 25-40% кокса. Особые требования в этих условиях предъявляются к качеству кокса - крупности, прочности в холодном и горячем состояниях.

Технологическая схема комплекса и состав оборудования для приготов­ления и вдувания пылеугольного топлива в доменные печи*** представлена на рис. 13.5. Согласно приведенной принципиальной схеме, прибывающие в вагонах 1 уголь, угольный концентрат и добавки разгрузочно-погрузочными средствами 2 разгружаются на участке разгрузки 3 и подаются в раздель­ные штабели 4, где подвергаются усреднению. Из штабелей 4 уголь и добавки подаются в раздельные бункера: 5А, 5Б - угольные бункера, 5В - бункер добавок. Из бункеров посредством питателей 6, 6а производится дозирован­ная выгрузка материалов для получения смеси (уголь + добавки) заданного соотношения. Из потока удаляются черные и цветные металлы 7 и другие круп­ные посторонние предметы 8.

Смесь углей и добавок подается в бункера для сырых материалов 9. Из каждого бункера для сырых материалов смесь питателями-дозаторами 9а по­дается в вертикальные валковые мельницы 10. Из каждой вертикальной валко­вой мельницы пылеугольное топливо заданного фракционного состава посред­ством сушильного агента, содержащего не более 8% кислорода, выносится в соответствующий бункер запаса 13, заполненный азотом. Отделение пылеугольного топлива от сушильного агента обеспечивается циклонами 20 и газоочис­тками с рукавными тканевыми фильтрами 27. В качестве сушильного агента используются, в основном, дымовые газы воздухонагревателей, подаваемые вентилятором 12, в которые при недостатке заданной температуры добавля­ются продукты сжигания доменного и частично природного газа из камер го­рения 11. Смешивание дымовых газов воздухонагревателей и продуктов горе­ния производится в смесительных камерах 11 а, в которых также обеспечива­ется поддержание постоянных температуры и состава сушильного агента, ис­пользуемого для сушки ПУТ.

Каждый бункер запаса пылеугольного топлива 13 рассчитан на подачу угольной пыли к двум доменным печам. Контроль наполнения бункеров запа­са производится с помощью средств взвешивания 14, Объем бункеров рассчи­тывается таким образом, чтобы суммарный запас пылеугольного топлива в них обеспечивал непрерывную работу доменной печи в течение 8 часов. Транс­портировка пылеугольного топлива из бункеров запаса к доменным печам осу­ществляется техническим азотом.

И з бункера 13 пылеугольное топливо направляется питателями пооче­редно в дозирующие резервуары 75, оснащенные питателями плотного слоя пылеугольного топлива и средствами взвешивания 19. Каждая доменная печь обслуживается двумя дозирующими резервуарами, работающими поперемен­но: один - на вдувании пылеугольного топлива, другой - на наполнении ПУТ.

Плотный поток пылеугольного топлива из дозирующих резервуаров 75, находящихся под давлением 1,0-1,5 МПа за счет подачи азота, направляется носителем (техническим азотом) поочередно в смеситель 16, где разбавляется потоком воздуха или природного газа, и уже менее концентрированный поток топлива далее транспортируется по магистральному пылепроводу к распреде­лителю 17. Перед входом в распределитель поток угольной пыли проходит фильтр 22, задерживающий возможные образования частиц крупнее 1,5-2 мм.

Регулирование общего расхода пылеугольного топлива на доменную печь обеспечивается в основном варьированием перепада давлений «дозирующий резервуар - горячее дутье доменной печи». От распределителя 17 отходят индивидуальные пылепроводы к каждому фурменному прибору доменной печи, где сочленяются с узлами ввода пылеугольного топлива в горн 18. Стабилиза­ция расхода пылеугольного топлива по фурменным приборам обеспечивается соплом Лаваля 23; на доменной печи используется один расходомер пылеуголь­ного топлива для периодической проверки пылепроводов.

Полнота сгорания пылеугольного топлива в фурменном очаге обеспечи­вается подводом технического кислорода к коаксиальным угольно-кислород­ным горелкам в каждом фурменном сопле доменной печи. При этом автомати­чески поддерживается заданное соотношение (К) расходов пылеугольного топ­лива (Q_пут) и суммарного количества кислорода, поступающего на фурму с дутьем (О_2дут) и по отдельному подводу (O_2тex):

При прекращении поступления технического кислорода к угольно-кис­лородным горелкам в линии кислорода автоматически подается технический азот или воздух.

П ри закупорке любого пылепровода автоматически включается система его продувки техническим азотом, и после очистки подача угольной пыли вос­станавливается. При прекращении поступления пылеугольного топлива на фурму в соответствующий пылепровод подается воздух или азот (на тяге печи -только азот).

Для помола исходного угля обычно применяют валковые мельницы фирм «Пффайфер» (Германия), «Леше» (Франция), «Бабкокс-Уилкокс» (США) и др. (рис. 13.6). Принцип действия этих мельниц идентичен и состоит в следую­щем: уголь крупностью 60-80 мм подается дозирующим устройством из бун­кера в горловину 1 и попадает в приемную воронку 2 кольцевого желоба (ра­бочей чаши) 3, по поверхности которого катятся ролики 4, размалывая (раз­давливая) уголь до заданного фракционного состава. Усилие, с которым роли­ки воздействуют на размалываемый уголь, подбирают в зависимости от его прочности и регулируют с помощью гидроцилиндров или пружинных меха­низмов, которые спроектированы таким образом, чтобы исключить поломку роликов в случае попадания в мельницу твердых неразмалываемых предметов (ролики в таком случае просто «перекатываются» через них). В мельнице фир­мы «Леше» предусмотрен также упорный буфер 5, который служит для регу­лировки зазора между валками и рабочей чашей и исключения соприкасания их металлических поверхностей между собой.

В процессе размола угля ролики и кольцевой желоб обдуваются сушиль­ным агентом 6 с температурой 300-400 °С, количество которого подбирается таким образом, чтобы создать подъемную силу для уноса вверх частиц моло­того угля в конический классификатор 7. Частицы крупностью более 100 мкм возвращаются через классификатор на поверхность кольцевого желоба на до-измельчение, а частицы требуемой фракции (менее 100 мкм) уносятся газо­вым потоком через выпускное отверстие 8 в куполе мельницы в устройства для отделения пылеугольного топлива от газа-носителя (сушильного агента). Температура смеси газа с углем на выходе из мельницы поддерживается по­стоянной* (в пределах 90-110 °С) за счет изменения расхода доменного или природ­ного газа, подаваемых в камеры горения (см., например, рис 13 5, поз 11, 11а).

С целью предотвращения выбросов (продувов) угольной пыли из мель­ницы, внутреннее ее пространство, в котором происходит размол угля, выпол­няют герметичным.

Для приготовления ПУТ обычно используют мельницы производитель­ностью 20-80 т/ч. Количество мельниц той или иной мощности выбирают с учетом проектного расхода пылеугольного топлива (150-250 кг/т чугуна) и производительности доменного цеха (количества доменных печей, работаю­щих с вдуванием ПУТ). Расход электроэнергии при помоле угля в этих мель­ницах составляет 10-25 кВт∙ч на 1 m ПУТ, что на 15-40% меньше аналогично­го показателя для шаровых мельниц той же производительности. Расход энер­горесурсов на сушку ПУТ, м³/т пылеугольного топлива:

дымовые газы воздухонагревателей 1150;

доменный газ 85;

воздух для сгорания газа 95.