книги из ГПНТБ / Варанкин, Ю. В. Газовое хозяйство заводов учеб. пособие

§4.2. Получение доменного газа

Вдоменной печи -из шихты, состоящей из агломерата (руды, флюсов) и топлива, в результате сложных физи­

ко-химических процессов получают чугун, шлак и горю­ чий газ.

Хотя доменная печь не является агрегатом, в кото­ ром получение горючего газа представляет основную задачу, загружаемый ів домну кокс проходит все типич­ ные'стадии газификации. Внешне домна даже похожа на генератор для газификации топлива в плотном слое. Это как бы прототип газогенератора с жидким шлакоудалением (рис. 4.2). В колошник 1 сверху периодически загружается шихта с топливом. Внизу печи нет колос­ никовой решетки; дутье подается в фурмы 5, располо­ женные по окружности в верхней части горна 6. На поду накапливается расплавленный чугун. Доменная печь по высоте делится па неравные части. Самая боль­ шая часть — шахта 2, в которой происходит подготовка шихтовых материалов к их расплаву, т. е. подсушка шихты, нагрев ее и восстановление железа из окислов еще в твердом виде.

Конус шахты переходит внизу в небольшое расшире­ ние — распар 3, а затем в заплечики 4. Такой профиль домны обеспечивает требуемое перераспределение пла­ вильных.материалов и спуск их в нижнюю часть к фур­ мам. Сужение заплечиков перед горном, вблизи уровня расположения фурм, обусловлено резким сокращением объема этих материалов в связи с началом интенсивного плавления.

В горн, помимо увлажненного паром воздуха, в боль­ шинстве случаев сейчас подается природный газ или кис­ лород, а часто и то, и другое. Влияние этого на работу печи и качество доменного газа будет показано ниже.

На уровне фурм (в окислительной зоне) развивается максимальная температура 1850—1950°С.

Выпуск металла и шлаков производится 6—8 раз в сутки. Шлак в горне, находится сверху выплавленного чугуна. Его выпускают через шлаковую летку 8, а чу­ гун — через летку 7.

Физико-химические процессы, протекающие в домне, значительно сложнее, чем в газогенераторе. Схематично процесс превращения железной руды в железо может

60

быть представлен как процесс происходящего в несколь­ ко этапов отнятия кислорода от руды, состоящей в ос­ новном из окиси железа (Fe2 0 3) и магнитной окиси же­ леза (Fe30 4).

Для обычного доменного процесса в основном харак­ терны реакции косвенного восстановления окислов желе­ за окисью углерода, последовательно протекающие в. средней части шахты. В области температур выше 570°С это следующие реакции [14]:

Суммарный тепловой эффект такого восстановления железа положителен. В отличие от него процесс восста­ новления в шахте этих окислов водородом, образующим­ ся в нижней части шахты главным образом за счет по­ дачи в дутье водяного пара и природного газа, имеет отрицательный тепловой эффект. Такой же отрицатель­ ный тепловой эффект имеют и реакции так называемого прямого восстановления FeO непосредственно углеродом раскаленного кокса, происходящего в области темпера­ тур 900—1000°С и выше. Суммарная реакция такого процесса

Нормальное протекание реакций косвенного восста­ новления окислов железа требует, как мы видели, нали­ чия на всех этапах в большом избытке окиси углерода (СО). При горении кокса в нижней части шахты, куда подается дутье, образуются С02, СО (с преобладанием СОо).

Восстановление С02 в СО идет, подобно тому как это' происходит в газогенераторах, по эндотермической ре­ акции (4.7). Образующаяся в ходе восстановления окис­ лов железа двуокись углерода С02 также превращается в СО за счет реакции с раскаленным углеродом кокса. Процесс этот прекращается лишь в верхних зонах печи,, где температура 600°С и ниже. Поэтому колошниковый газ близок по составу к воздушному генераторному газу.

62

Восстановление окислов железа в шахте происходит не только окисью углерода, но и водородом. Подача в дутье природного газа способствует значительному усилению этого процесса. В окислительнон зоне происходит его горение с образованием ССЬ н Н2 О, кото­ рые затем, реагируя с раскаленным коксом, образуют восстановители СО и Но. Окончательное уравнение горения метана природного газа может быть записано так [14]:

горении 1 кг кокса, а количество образующихся горновых газов, напротив, больше. Температура у фурм при подаче сюда природного газа получается ниже. В ряде случаев это приводит даже к некото­ рому снижению производительности печи.

С целью устранения этого в большинстве случаев при подаче в домну природного газа дутье обогащают кислородом. Применение

[4, 30]. Экономический эффект обусловлен как экономией топлива, так и значительной разницей в стоимости газа и кокса. Если учесть, что стоимость кокса составляет сейчас примерно 50% стоимости чугуна, то станет понятным, насколько прогрессивным является при­ менение природного газа н комбинированного дутья в доменном производстве.

Эффективность использования в доменных печах природного газа стремятся повысить и еще одним, не менее прогрессивным ме­ тодом — вынесением реакций образования из природного газа вос­ становительных газов за пределы доменной печи при их высокотем­ пературном подогреве.

Природный газ в этих случаях подвергается конверсии водяным

В горн доменной печи для процессов восстановления окислов железа подаются продукты конверсии, подогретые до 1200°С и выше.

Сочетание применения такого горючего восстановительного газа с обогащением дутья кислородом еще более снижает расход кокса при одновременной интенсификации всего доменного процесса вы­ плавки металла [11, 24].

Выход и состав получаемого в доменных печах ко­ лошникового газа зависят от вида дутья, оостава шихты, режима работы и ряда других факторов. Выход колош­ никового (доменного) газа обычно составляет 3500— 4000 м3 на 1 т чугуна. Повышение температуры дутья с 600 до 1000°С уменьшает выход газа примерно на 1,8%; подача природного газа и особенно кислорода уменьшает выход доменного газа более чем на 10%. Однако его теплота сгорания, как правило, увеличивает-

63

ся. При работе домны на атмосферном дутье колошни­ ковый газ содержит около 30% СО, до 2% Н2, 10—12% С 02 и до 55—56% N2. Теплотворность его не превышает 4000 кД ж/HM3. Плотность 1,29 кг/нм3. Пределы взрывае­ мости: нижний — 35—40%; верхний — 65—70%■

При вводе в доменную печь природного газа в домен­ ном газе увеличивается содержание водорода до 5—6 % и уменьшается содержание СО. При одновременном обо­ гащении дутья кислородом до 28—30% содержание СО в колошниковом газе увеличивается в некоторых случаях до 40%• Содержание водорода может повышаться при этом до 8 % [4].

Теплотворность доменного газа, получаемого при комбинированном дутье, может превышать 4200 кДж/нм3. Содержание водорода доходит даже до 15% [11].

Все же теплота сгорания доменного газа остается невысокой, и газ этот экономически нетранспортабелен. Современные мощные доменные печи выпускают более 4000 т чугуна в сутки каждая, выдавая при этом 12—15 млн. м3 газа, из которых только 2 0 % расходуется на соб­ ственные нужды доменного производства.

Огромное количество тепла, эквивалентное почти пол­ миллиону тонн условного топлива в год, от каждой из таких печей направляется в виде газа в другие цехи ме­ таллургических комбинатов, газовое хозяйство которых представляет собой сложный технический комплекс, с каждым годом все более и более усложняющийся.

§ 4.3. Получение генераторного газа из сланцев

При рассмотрении процессов сухой перегонки твер- • дых топлив было отмечено, что в качестве отопительного газа для печей коксования и полукоксования высокока­ лорийный газ желательно не использовать. Экономически целесообразнее в таких случаях специально для этой цели получать генераторный газ, что и осуществляется сейчас на ряде заводов, перерабатывающих сланцы. Например, усовершенствованию камерных печей сланце­ химических заводов сопутствовало и усовершенствование газогенераторов.

Схема современного генератора для газификации прибалтийского сланца показана на рис. 4.3. Поскольку, как мы знаем, до 65% горючей массы сланца при его

64

полукоксовании можно перевести в смолу, а она издавна находит промышленное применение, при разработке

Рис. 4.3. Сланцевый газогенератор с поперечным потоком обогреваю­ щего теплоносителя.

сланцевых генераторов, производящих отопительный газ, конструкторы стремятся усовершенствовать имеющуюся в газогенераторах зону полукоксования и повысить вы­

ход смолы. До 60% всей смолы, производящейся в Эс­ тонской ССР из сланцев, получается в газогенераторах.

Дробленый сланец загружается сверху (см. рис. 4.3) в сравнительно узкую (шириной 1 м) шахту 1, находя­ щуюся между двумя простенками — «горячим» 2 и «хо­ лодным» 3. Слой сланца в шахте пронизывается попе­ речным потоком газового теплоносителя, выходящего через окна (дюзы) из горячего простенка с температурой около 800°С.

В качестве газового теплоносителя служит генера­ торный газ, образующийся в так называемом газифика­ торе 4 в результате газификации полукокса, поступаю­ щего сверху. В газификатор подаются воздух и водяной пар, которые окисляют остаточный углерод полукокса.

Для увеличения количества теплоносителя и повыше­ ния его температуры в «горячем» простенке сжигается получаемый генераторный газ.

Парогазовая смесь отводится из «холодного» отсека 3,

На выходе из газогенератора парогазовая смесь со­ держит 7% (по весу) смолы и около 19% водяных па­ ров. В ней содержится значительное количество пыли, а в газе ■— 11,34 г/н3 сероводорода. Так как получаемая из сланцев смола представляет товарный продукт, она тщательно отделяется от газа в специальных устройст­ вах, описание которых дано ниже, в гл. 7.

§ 4.4. Газификация твердых топлив под давлением на парокислородном дутье

Применение дутья, обогащенного кислородом, позво­

Все конструкции газогенераторов могут работать на дутье, обогащенном кислородом. Трудности, возникаю­ щие при этом, связаны обычно с повышением темпера­

66

туры в окислительной зоне, но даже в простейших неме­ ханизированных газогенераторах температура над ко­ лосниковой решеткой легко регулируется включением парового дутья.

Сравнение характеристик генераторного газа на парокислородном дутье и воздушного газа, полученного из бурого угля при газификации его во взвешенном состоя­ нии, приведено в табл. 4.2.

Таблица 4.2

Характеристика газа, полученного при газификации бурого угля при атмосферном давлении

Компоненты газа, % по объему

Таким образом, применение парокислородного дутья позволяет снизить общее содержание балласта в газе в основном за счет уменьшения содержания азота. Поэто­ му, несмотря на увеличение содержания СО2 , теплота сгорания такого газа более чем в два раза превышает теплоту сгорания генераторного газа. Теплота сгорания

давлением. Для этого необходимо предварительно компремировать газ.

Состав и теплотворность генераторного газа, полу­ чаемого на паровоздушном дутье, обогащенном кисло­ родом, занимают какое-то среднее положение между характеристиками газов, приведенных в табл. 4.2, в зависимости от процента добавки кислорода и водяного пара. Все же следует отметить, что теплотворность всех генераторных газов этого типа оставалась невысокой, значительно ниже теплотворности так называемого стан­ дартного газа (16 750 кДж/нм3), поэтому дальнейшие работы по повышению теплоты сгорания генераторных газов велись в направлении газификации топлива при высоком давлении.

67

С 02 (как это делают и при .получении генераторного газа

Теплотворность такого газа после отмывки С02 более чем в 1,5 раза выше, чем газа, полученного из бурого угля на парокислородном дутье при атмосферном давле­ нии (см. табл. 4.2), и почти вплотную приближается к значению теплотворности так называемого стандартного газа. Такоіі генераторный газ уже экономически транс­ портабелен и может передаваться с завода потребите­ лям на значительные расстояния.

Осуществление газификации на парокислородном дутье при высоком давлении в плотном слое (2000 кПа), естественно, потребовало разработки газогенератора осо­ бой конструкции, хотя все основные элементы механиза-. ции процесса и образования требующегося здесь водя­ ного пара были отработаны еще ранее, на обычных.ме­ ханизированных газогенераторах. Все трудоемкие про­

69