13.8. Повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи

Повышение давления газов в доменной печи впервые было предложено Г. Бессемером с целью повышения восстановительной способности газов. Однако положительное действие повышенного давления проявляется не только в улучшении восстановительной способности газов, но и в улучшении при прочих равных условиях газодинамического режима печи, при котором возможно значительное повышение производительности и снижение расхода кокса. Под руководством И.И. Коробова в 1940 г. на металлургическом заводе им. Петровского в г. Днепропетровске были осуществлены первые промышленные опыты применения повышенного давления газов. После получения положительных результатов большинство доменных печей бывшего СССР были переведены на этот режим.

Повышение давления газа внутри доменной печи достигается путем пе­режима потока газов при помощи дроссельного устройства, установленного в газопроводе очищенного от пыли газа.

При повышении давления газа изменение перепада давления газа в слое шихты обратно пропорционально изменению давления газа. В этом можно убедиться при помощи следующего доказательства. Перепад давления газа в слое материалов выражается уравнением:

Заменив постоянные величины через

получим при обычном давлении*:

а при повышенном давлении:

где ∆Р₁ и ∆Р₂, ₁ и ₂, γ₁, и γ₂ - перепад давления, скорость движения газа и плотность газа в слое материалов при обычном и повышенном давлении соответственно.

После деления получим:

Поскольку при постоянном количестве дутья скорость движения газа об­ратно пропорциональна, а плотность прямо пропорциональна его давлению, отношение скоростей и плотностей в полученном выражении можно заменить соответствующими отношениями давлений и :

Из полученного уравнения следует, что изменение перепада давления газа при движении его через слой материалов обратно пропорционально изме­нению абсолютного давления газа.

Этот расчет приближенный, так как в нем не учитывается изменение температуры и плотности газа по высоте печи, однако достоверность его под­тверждена экспериментально.

Рассмотрим на примере, как изменяется перепад давления газа при по­вышенном давлении газа в печи.

До перехода на работу с повышенным давлением газа в рабочем про­странстве печи абсолютное давление газа на колошнике составляло ~1,1 ата (110 кПа), а на фурмах ~2,3 ата (230 кПa), что соответствует среднему давле­нию газа в печи:

ата (170кПа),

и перепаду давления газа между горном и колошником:

ат (120кПа)

Если давление газа повысить так, что среднее абсолютное давление в печи увеличится до Р₂ = ~3,0 ата (300 кПа), то перепад давления между гор­ном и колошником по полученному ранее уравнению составит:

~0,68 ат (68кПа),

т. е. перепад давления газа между горном и колошником при повышенном дав­лении газа в печи уменьшается на 1,2 - 0,68 = ~ 0,52 aт (52 кПа). Это значит, что можно увеличить массовое количество дутья до достижения прежнего пе­репада, не нарушая ровного хода печи, но увеличивая ее производительность.

При повышении давления в доменной печи соответственно уменьшает­ся объем газа. При сохранении допустимого значения перепада давления газа между горном и колошником возможно не только увеличить количество дутья, но и повысить его температуру, что будет способствовать снижению расхода кокса. Наконец, при повышении давления газов уменьшается вынос колошни­ковой пыли. По данным проф. А.Н. Рамма, максимальный размер выносимых газовым потоком частиц уменьшается обратно пропорционально абсолютно­му давлению газа в степени 0,6. При повышении избыточного давления на колошнике от 0,1 до 2,5 ати (от 10 до 250 кПа) максимальный диаметр выно­симых частиц уменьшается примерно в 2 раза, а масса - в 8 раз. На практике с переводом печей на работу при повышенном давлении газов вынос колошни­ковой пыли сократился при прочих равных условиях в среднем на 20-30%.

Повышение давления газов в рабочем пространстве доменной печи в определенной мере влияет на содержание кремния в чугуне. Восстановление кремния из кремнезема в чугун, как известно, происходит в нижней части до­менной печи за счет углерода (прямое восстановление):

SiO₂ + 2С ↔ Si + 2СО.

Т ермодинамика этого процесса в соответствии с за­коном подвижного равновесия такова, что чем выше давле­ние, тем в большей мере рав­новесие реакции смещается влево, уменьшая степень вос­становления кремния в чугун. Это подтверждается и практи­кой работы доменных печей. Как видно из рис. 13.9, с уве­личением избыточного давле­ния дутья на ~ 1,1 ати (110 кПа) содержание кремния в пере­дельном чугуне уменьшилось на 0,45-0,50%, т.е. примерно в два раза. При повышении давления в доменной печи уве­личивается содержание угле­рода в чугуне на 0,4-0,5%, что объясняется усилением науглероживания губчатого железа сажистым углеро­дом, количество которого при повышении давления газов возрастает:

2СО → С + СО₂.

В настоящее время большинство доменных печей Украины работает с избыточным давлением газа на колошнике ~1,0-1,5 ати (100-150 кПа). Это позволяет увеличить производительность на 8-14% и уменьшить расход кокса на 3-6 %.

Опыт работы новых доменных печей с более высоким избыточным дав­лением газа на колошнике (до ~2,0 ати или 200 кПа) подтверждает целесооб­разность дальнейшего повышения давления газа в рабочем пространстве до­менной печи. Поэтому вновь сооруженные печи оснащены оборудованием для работы с избыточным давлением до 250 кПа (~ 2,5 ати).

Недостатком работы при повышенном давлении газов является пониже­ние стойкости оборудования и особенно стойкости засыпных аппаратов вслед­ствие абразивного действия частиц колошниковой пыли. Кроме того, при дросселировании колошникового газа теряется много энергии, которая была затра­чена на сжатие воздуха. Сейчас для возвращения части энергетических затрат начинают использовать энергию сжатого колошникового газа в газовых тур­бинах-расширителях, выполняющих в технологической цепи функцию дросселирования газа.