4. Вдування нереформованого палива в горн

Ідея вдування в горн доменних печей різних видів палива твердого, рідкого і газоподібного – виникла в першій половині ХIХ століття. Перша спроба вдування вугілля в горн датована 1831 роком (Д.Дейвіс, Англія). В 1840 -1845 рр. пристрій для вдування в горн деревновугільного дрібняку працював на одній із доменних печей Франції, що дозволило досягти економії вугілля 10%. Деякий час вдування деревновугільного дрібняку використовувалось також і в Бельгії.

В 20-х роках ХХ століття в Німеччині провели досліди роботи печей з вдуванням пилоподібного палива (Є.Діпшляг). Спираючись на дані цих дослідів, Є.Бертрам в 1927 р. зробив висновок про недоцільність вдування вугільного пилу. Промислові досліди вдування тонкоподрібненого вугільного пилу, що почалися в 1950 р. на Дніпровському металургійному заводі (В.І.Логінов, Г.Г.Орешкін, І.Г.Половченко, Україна) показали високу

ефективність заміни коксу вугільним пилом. Але світового зізнання технологія плавки із вдуванням пиловугільного палива зазнала лише наприкінці ХХ на початку ХХI століття перш за все внаслідок подорожчання альтернативних замінників коксу.

Вдування рідких та газоподібних вуглеводнів в горн доменної печі запропоновано в 1838 р. В. Барнеттом. Наприкінці ХIХ століття та на початку ХХ на доменних печах США, Західної Європи та Росїї застосовували нафту для розігрівання горна печей під час сильних похолодань. Як постійний замінник коксу рідке паливо - мазут, а в деяких випадках кам’яновугільна смола і вугле-мазутна суспензія широко застосовувались в Японії, Франції, ФРН і Англії в 60-70-х роках ХХ століття. На початку 80-х років у зв’язку із настанням другої енергетичної кризи мазут втратив поширення.Перші в світовій практиці промислові випробування технології доменної плавки з вдуванням природного газу відносяться до 1957 р. (металургійний завод ім. Петровського, Україна). Успішні досліди обумовили широке розповсюдження природного газу в якості замінювача коксу спочатку в СРСР, а потім в США – країнах з багатими родовищами газу.

7.4.1 Вдування в горн природного газу

Промислові спроби використання природного газу в доменному виробництві, проведені в 1957 р. на заводі ім. Петровського, показали, що при витраті газу 70-90 м³/т чавуну витрата коксу зменшилась на 10-14%. Висока ефективність застосування природного газу зумовила швидке його впровадження і на інших заводах. Вже в 1969 р. в СРСР з використанням СН₄ працювали 105 печей з 132. В 1977 р. середня витрата газу в СРСР складала 100 м³/т чавуну, взагалі булоо використано 9 млрдю м³ природного газу, що дозволило зекономити біля 7 млн.т коксу.

Природний газ – суміш газів, котрі утворилися при анаеробному розкладенні органічних речовин. Газ різних родовищ містить від 90 до 98 % метану СН₄, від 0,5 до 7 % його вищих гомологів С₂Н₆, С₃Н₈, С₄Н₁₀, С₅Н₁₂ та від 0,6 до 9 % не вуглеводних речовин N₂ (його найбільше) СО₂, H₂S та гелію (його найменше).

Густина природного газу в залежності від хімічного складу коливається в межах від 0,68 до 0,90 кг/м³. Температура само загорання складає 650С. Теплота неповного горіння змінюється в межах 1500-1800 кДж/м³, це всього 4-5 % від теплоти повного згорання (28-46 МДж/м³).

В новому столітті найбільш інтенсивне використання природного газу в якості замінника коксу спостерігається в країнах з великими запасами і видобутком більше 600 млрд.м³ за рік – США (рис.7.4) і Росії. Україна з власним видобутком природного газу в 2013 р. біля 21 млрд.м³ має обмежені можливості для використання газу в доменному виробництві.

Природний газ в зону горіння доменної печі подається крізь фурму. Перші конструкції повітряних фурм передбачали подавання газу крізь фланець, в подальшому поширення набули конструкції із заглибленням вводу газу до осі фурми крізь внутрішній стакан охолодження.

Результуюча реакція горіння метану природного газу в горні доменної печі при сухому атмосферному дутті описується рівнянням

СН₄ + 0,5 О₂ + 0,5 ∙ 3,67 N₂ →СО + 2Н₂ + 1,88 N₂ + 38,16 МДж (7.6)

Економія коксу при вдуванні природного газу досягається за рахунок:

• збільшення непрямого та зменшення прямого відновлення;

• заміни частини вуглецю коксу вуглецем природного газу;

• зменшення приходу сірки з коксом в піч, основності шлаку та його виходу зо всіма наслідками, що витікають.

За даними З.І.Некрасова, середня економія коксу на доменних печах СРСР складала 16 %, із яких 10 % – від збільшення непрямого відновлення, 3 % були результатом безпосередньої заміни вуглецю коксу вуглецем природного газу, а 3 % – від зниження теплопотреби доменного процесу внаслідок зменшення основності шлаку, тощо.

Витрата природного газу при виплавці переробного чавуну звичайно змінюється в межах від 60 до 120 м³ на 1 т чавуну. Витрата коксу скорочується на 10-14%, а іноді й більше.

Рис.7.4. Залежність витрати коксу від питомої витрати природного газу на доменних печах США за даними Х.Б.Люнгена.

Збільшення об'єму газів супроводжується підвищенням їх швидкості та збільшенням підйомної сили, що утрудняє схід шихти. Необхідно при використанні природного газу поліпшувати гранулометричний склад шихти (відсів дрібняку, підвищення міцності агломерату та коксу) та підвищувати тиск газів в робочому просторі печі.

Використання природного газу викликає зниження температур в горні та їх зростання в верхніх зонах печі. Зниження температури в горні пояснюється наступним:

• природний газ вдувається у холодному вигляді та охолоджує горн;

• при згоранні вуглецю природного газу, внаслідок від’ємного ефекту реакції розкладання газу (СН₄С+2Н₂ – 79,449 МДж), тепла виділяється в 3 рази менше, ніж при згоранні одиниці вуглецю коксу;

• кількість газу, що утворюється при горінні вуглецю метану в ≈1,7 рази більше, ніж при горінні одиниці вуглецю коксу. Дійсно, при горінні одиниці вуглецю природного газу в горні утворюється 4,88 моля газу (реакція 7.6), а при горінні вуглецю коксу лише 2,88 (реакція 1.2).

Збільшення виходу горнового газу при зменшенні приходу тепла в горн зменшує теплопередачу в нижніх горизонтах печі, а винос тепла в верхні горизонти печі та колошниковим газом збільшується. Тому дія СН₄ на розподіл температур в печі протилежна дії нагрітого чи збагаченого киснем дуття.

Для зберігання температурних умов в горні температура повинна підвищуватися на 4°С при вдуванні кожного 1 м³ СН₄ (на 1 т чавуну) або повинна відповідно знижуватися вологість дуття (9 градусів на 1 г/м³ вологи в дутті). Досвід роботи доменної печі з використанням природного газу показує, що при різкому зниженні питомої витрати коксу (10-20%), продуктивність зростає всього на 2-5%, головним чином за рахунок збільшення рудного навантаження, оскільки форсування процессу дуттям в таких умовах затруднене.