книги из ГПНТБ / Применение пылеугольного топлива для выплавки чугуна

угольным топливом для условий доменной печи № 3 Донецкого металлургического завода*. По условиям рас­ чета приняли, что при вдувании пылеугольного топлива возможности компенсации его охлаждающего влияния за счет изменения температурно-дутьевого режима отсутству­ ют, единица углерода кокса заменяется единицей углеро­ да пыли, приход водорода на единицу шихты сохраняет­ ся постоянным. Расчет выполнен для следующих марок углей: тощего, полуантрацита и длиннопламенного (табл. 6.)

Таблица 6

Химический состав углей, применяемых для вдувания в горн доменной печи, %

Как видно из рис. 3, замена природного газа пыле­ угольным топливом экономически выгодна: при вдувании 100 кг/т чугуна пылеугольного топлива расход кокса сни­ жается на 90— 130 кг/т чугуна, природного газа — на 20 м3/ч

в Польше проведены промышленные плавки, полностью под­ твердившие высокую экономическую эффективность приме­ нения природного газа в сочетании с пылеугольным топли­ вом. При вдувании в горн 20—80 кг угольной пыли на 1 т чугуна расход кокса снизился на 3,5—15,0%, природ­ ного газа — на 5,5—18 м3 и стоимость топлива — на 1 — 3 руб. Коэффициент замены кокса пылеугольным топливом, как правило, был равен или превышал 1, производитель­ ность печи и качество чугуна существенно не изменились. Фактическая эффективность применения комбинированного дутья увеличилась вдвое по сравнению с плавкой при вдува­ нии одного природного газа [53, 60, 120].

Расчет эффективности применения природного газа в сочетании

с пылеугольным топливом выполнен 3. К- Афанасьевой (ДонНЙИ-

.чермет).

20

ной печи различных сортов каменного угля.

По данным [92], наибольшее снижение расхода кокса наблюдается при применении углей с максимальным содер­ жанием углерода. В частности, вдувание антрацита обеспе­

Расход пылеугольного т оплива.кг/т 'чугуна

Рис. 3. Графики зависимости основных технико-экономических пока­ зателей плавки от расхода пылеугольного топлива:

Д — длиннопламенный уголь; Г — тощий; А — антрацит. Снижение показателя I — 0; II — 2% на каждые 100 кг/т чугуна угольной пыли; III — 5% на

каждые 100 кгіпг чугуна угольной пыли.

По данным расчета английских исследователей, выпол­ ненного для условий металлургического завода в Стентоне, замена тощих углей с содержанием 6,2—6,9% летучих углями с содержанием 27,2—33,3% сопровождалась сокра­ щением расхода кокса от 87,5—86,5 до 69,5—77,0 кг/т чугуна при практически постоянной производительности печей [16]. Вывод об экономических преимуществах вдува­ ния углей с минимальным содержанием летучих подтвер­ ждается и другими исследователями [98, 99, 117].

Проведенные во Франции длительные промышленные испытания подтвердили высокую экономическую эффектив­

21

ность вдувания в горн доменной печи как лотарингских углей, содержащих 34,5% летучих; 7,9% золы; 0,8% серы;

мых углей не дают оснований отдать предпочтение тощему или длиннопламенному углю [16, 951. Таким образом, тео­ ретически полученный вывод о преимуществах углей’ с по­ вышенным содержанием углерода не подтвержден опыт­ ными плавками. Полученное противоречие, видимо, можно объяснить недостаточно строгим учетом влияния летучих угольной пыли на показатель rd и расход кокса.

При работе доменных печей с вдуванием природного газа и угля вопрос о предпочтительности того или иного вида угля решается более определенно. Позже нами будут рассмотрены технологические преимущества вдувания в горн

как и углерод кокса эквивалентен углероду угольной пыли. Данное предположение сделано на основании анализа опыта применения пылеугольного топлива в СССР и за рубежом

[3, 92, 95, ПО, 118].

Длительный опыт применения природного' газа для выплавки чугуна показал наличие экстремальной зависи­ мости между расходом природного газа и расходом кокса [47, 67, 87, 115]. Поэтому в выполненном нами расчете при­ нято условие сохранения на исходном уровне прихода

При сложившемся соотношении цен на природный газ, каменный уголь и кокс и работе доменной печи с примене­ нием природного газа наибольшее снижение расхода кокса и себестоимости чугуна может быть получено при вдува­ нии углей с минимальным содержанием летучих и макси­ мальным — нелетучего углерода (см. рис. 3).

22

Вопрос о содержании золы в углях, вдуваемых в горн, не является дискуссионным, несмотря на успешный опыт вдувания в горн углей с содержанием золы до 40%. Как расчеты, так и практика работы печей подтверждают эко­ номическую и технологическую целесообразность приме­ нения углей с минимальным содержанием золы и макси­ мальным содержанием углерода. Как правило, эффек­ тивность применения угольной пыли при увеличении содержания в угле углерода значительно возрастает, что полностью окупает высокую стоимость этих углей.

В силу минимального влияния пылеугольного топлива на снижение нагрева горна и изменение выхода горновых газов применение данного вида топлива является пред­ почтительным и даже единственно целесообразным в не­ которых специфических условиях доменной плавки. Так, пылеугольное топливо может обеспечить значительное снижение расхода кокса при выплавке специальных видов чугуна, требующих высоких нагрева горна и относитель­ ного расхода кокса.

Имеется успешный практический опыт применения пы­ леугольного топлива для выплавки ферромарганца на Ново-Тульском заводе, ферросилиция — на металлургиче­ ском заводе им. Дзержинского, литейного чугуна — на металлургических заводах в Стентоне (Англия) и Уиртоне (США). В то же время применение, например, природного газа в тех же условиях нецелесообразно или малоэффектив­ но, что подтверждается как теоретически, так и опытом работы печей [87].

При выплавке передельного чугуна с высоким исходным расходом кокса и при недостаточных возможностях ком­ пенсации охлаждающего влияния дополнительного топ­ лива применение пылеугольного топлива является наи­ более эффективным, поскольку обеспечивает как общее сокращение расхода углерода, так и замену значительной части кокса углем. При работе доменной печи на частич­ но металлизированной шихте отмечается значительное со­ кращение потребности в газе-восстановителе. Вдувание природного газа в данных условиях становится нецеле­ сообразным, а применение пылеугольного топлива являет­ ся единственно возможным и эффективным, поскольку не вызывает существенного изменения выхода восстанови­ тельных газов и температурного режима горна. Условия использования восстановительной энергии горнового газа

23

Г лава I I

ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА

В СОЧЕТАНИИ С ПЫЛЕУГОЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ

Рассмотренные ранее аналитические работы представ­ ляют определенный интерес для качественной оценки эффективности применения разных видов топлива. Прин­ ципиальным методическим недостатком большинства этих работ является необоснованность принимаемых исходных условий [99, 112, 114, 117]. К таким условиям относятся, прежде всего, сохранение на исходном уровне таких пара­ метров, как теоретическая температура горения; выход горновых газов в единицу времени; степень использования восстановительной энергии газов.

Как показывает опыт, при вдувании разных видов до­ полнительных топлив перечисленные показатели обычно существенно изменяются, вызывая изменения работы печи и эффективности нового технологического режима. В на­ стоящей главе предпринята попытка учесть влияние дополнительного топлива на тёмпературный, газодинамиче­ ский и другие режимы плавки и найти параметры, опреде­ ляющие максимальный расход и эффективность примене­ ния топлива в конкретных технологических условиях.

Распределение температур по высоте печи и нормы компенсации охлаждающего влияния

дополнительного топлива

Предположение о том, что при вдувании в горн допол­ нительного топлива теоретическая температура горения газов сохраняется на исходном уровне, справедливо для работы теплоэнергетических агрегатов, но не имеет сколько-ни-

25

будь убедительного технологического обоснования для до­ менной печи. Как правило, максимальный экономический эффект от вдувания топлива достигается при некотором снижении теоретических температур горения.

Опытом работы печей подтверждено, что при компенса­ ции охлаждающего влияния добавки повышается эффек­ тивность применения комбинированного дутья. Установ­ лено также, что при снижении теоретических температур ниже определенного уровня наблюдается ухудшение ра­ боты печи.

Описанные особенности теплового режима горна домен­ ной печи при вдувании дополнительного топлива объясня­ ются интенсификацией восстановительных процессов в шахте печи, снижением степени прямого восстановления и вследствие этогоснижением потребности тепла в горне на завершение процесса формирования чугуна и шлака

[89].

Рассмотрим необходимость достижения полной компен­ сации при вдувании в горн пылеугольного топлива.

при которой в новых технологических условиях обеспе­ чивается сохранение исходной температуры продуктов плавки* [33, 34].

Принимая, что конечная температура шихты в исход­

где tн — температура газа и шихты в зоне замедленного теплообмена, ®С; t0, tx— исходная и необходимая теорети­ ческие температуры горения, ®С; \ѴШо, WWl — водяные эквиваленты шихты, ккал/пѵ, К0, — относительный

выход горновых газов, м3/т кокса; К0, Кі — расход кокса, кг/т чугуна.

Рассмотрим частный случай применения уравнения (1) при снижении расхода кокса за счет повышения темпера­

* В дальнейшем для удобства данный термин будем называть «необходимой теоретической температурой».

26

туры дутья или снижения выхода шлака. Уравнение можно записать в виде

ческих условий плавки и снижении расхода кокса необ­ ходимая теоретическая температура возрастает, что подтвер­ ждается опытом работы доменных печей. Так, при расходе кокса 536 кг/т чугуна, температуре дутья 1100® С и выходе шлака 466 кг/т чугуна оптимальная теоретическая тем­ пература горения составила 2100®С против 1900— 1950® С, имевших место при освоении технологии плавки с приме­ нением природного газа (расход кокса ^ 680 кг/т чугуна) [31].

Аналогичное влияние на уровень необходимых теорети­ ческих температур оказывает обогащение дутья кислородом.

Анализ условий нагрева шихты в нижней зоне тепло­ обмена дает основания объяснить наличие минимально до­ пустимого для конкретных условий уровня теоретических температур, при котором обеспечиваются нормальные усло­ вия нагрева шихты. Очевидно, что нижним теоретическим пределом такой температуры является конечная темпера­ тура нагрева шихты (1550—1600° С). Принимая во внима­ ние необходимость завершения процесса нагрева шихты в определенном объеме печи и за определенное время и не­ обходимость прохождения многочисленных эндотермиче­ ских процессов, убеждаемся, что при нормальном ходе доменного .процесса нагрев шихты может быть обеспечен лишь при определенной номинальной разности теорети­ ческих температур горения и температуры шихты.

Согласно опытным данным, при нормальной работе печей эта разность, как правило, не бывает меньше 300— 500 град, причем больший предел относится к условиям работы печей с низким расходом кокса. При замене части кокса пылеугольным топливом можно принять, что коэф­ фициент замены кокса углем равен 1, а выход газа из единицы кокса равен выходу газа из единицы угля. Тогда

27

Следовательно, в этом случае необходимая теоретиче­ ская температура горения определяется, прежде всего, изменением теплосодержания поступающей в нижнюю зону теплообмена шихты, которое определяется относительным расходом кокса и степенью прямого восстановления заки­ си железа. Согласно теоретическим и опытным данным, применение пылеугольного топлива может сопровождать­ ся снижением гй на 1—4% на каждые 100 кг пылеуголь-' ного топлива за счет увеличения времени контакта газоввосстановителей с окислами железа, неизбежного при зна­ чительном снижении доли кокса в шихте. Уравнение (4) можно выразить через показатель степени прямого восста­ новления:

бг„, Tdi — начальное и конечное значения степени прямого восстановления.

Принимая во внимание, что при вдувании угля может

быть jjr • п® — 1, тогда

Aj V]

необходимых теоретических температур определяется из­ менением степени прямого восстановления железа: при неизменном га необходимая теоретическая температура также не изменится (іг— t0); при снижении га эта темпера­ тура тем ниже, чем больше снижение. Зависимости, постро­ енные для условий Донецкого металлургического завода и показанные на рис. 4, иллюстрируют то положение, что при вдувании тощих углей необходимая температура го­ рения снижается на 20 град на каждые 100 кг угольной пыли, введенной на 1 т чугуна.

Относительно малый темп изменения необходимой теоре­ тической температуры объясняется значительным сокраще­ нием расхода природного газа, рассчитанным исходя из условия сохранения на исходном уровне прихода водорода

28

на единицу шихты; снижением расхода дутья и выхода горновых газов на единицу чугуна вследствие прихода с летучими угля кислорода, заменяющего часть кислорода дутья.

Снижение теоретической температуры при вдувании длиннопламенных углей меньше, чем при вдувании тощих

25 град при вдувании 100 кг угольной пыли на 1 т чугуна), вследствие чего возникает существенная разность между этой и фактической температурами. При благоприятных условиях плавки (снижение гd на 2—4% на каждые 100 кг угольной пыли на 1 т чугуна) необходимая и фактиче­ ская температуры горения различаются незначительно. Та­ ким образом, так же как и при вдувании природного газа, вдувание в горн пылеугольного топлива сопровождается

* В дальнейшем «фактически полученную для данного режима теоретическую температуру» будем называть «фактической темпера­ турой».

29