Экзаменационный билет №6

2 Вопрос: Обогащение дутья кислородом и природным газом.

Кислородом:

Целесообразность обогащения дутья кислородом известна давно. Еще Д.И.

Менделеев в своей книге «Основы химии», вышедшей в 1869 г., писал, что «..

.придет время, когда... станут на заводах и вообще для практики обогащать воздух

кислородом...». Однако сложность и дороговизна установок для получения кислоро-

да и вызываемые нарушения в технологии выплавки передельного чугуна на обога-

щенном дутье долго сдерживали применение кислорода в доменном производстве.

Благодаря успешно проведенным в нашей стране промышленным опытам, в

результате которых была разработана теория и технология доменной плавки на обо-

гащенном кислородом дутье, этот способ интенсификации доменного процесса по-

лучил широкое распространение. Уже в 1969 г. на кислородном дутье работали 73

доменные печи.

При обогащении дутья кислородом изменяются следующие параметры:

1. Уменьшается расход дутья на единицу сжигаемого у фурм углерода, так

как при повышении содержания кислорода в дутье соответственно уменьшается

содержание азота, т. е. отношение N2/O2 в дутье уменьшается.

2. Уменьшается количество горнового газа на единицу сжигаемого у фурм

углерода вследствие уменьшения содержания азота в дутье.

3. Повышается концентрация окиси углерода в горновом газе вследствие

уменьшения разбавления его азотом.

4. Значительно возрастает температура в зоне горения, так как уменьшается

объем образующихся газов.

Перечисленные изменения параметров горения углерода у фурм при обога-

щении дутья кислородом вызывают как положительные, так и отрицательные изме-

нения в ходе доменного процесса и его тепловом балансе.

При обогащении дутья кислородом снижается перепад давления газов между

горном и колошником вследствие уменьшения выхода горнового газа на единицу

сжигаемого углерода и скорости движения газов в столбе шихтовых материалов.

Это позволяет увеличить расход дутья в единицу времени, т. е. увеличить количест-

во сжигаемого в единицу времени кокса и соответственно повысить производитель-

ность печи. В этом заключается смысл интенсификации доменного процесса обога-

щением дутья кислородом.

Рисунок 1 - Изменение некоторых параметров процесса при обогащении дутья

кислородом

Однако при обогащении дутья кислородом, особенно при выплавке пере-

дельного чугуна, уменьшение перепада давления газа не пропорционально умень-

шению выхода горнового газа. По мере увеличения содержания кислорода в дутье

перепад снижается на меньшую величину, чем выход горнового газа, а значит и сте-

пень форсирования хода печи дутьем с увеличением содержания кислорода умень-

шается.

Причиной ухудшения газодинамики является резкое повышение температуры

в зоне горения, вызывающее увеличение объема газов в сократившемся объеме

окислительной зоны. Кроме того, при температуре около 2000° С интенсивно идет

процесс возгонки моноокиси кремния SiO, которая конденсируется в зонах с темпе-

ратурой ниже 1900° С в виде тонкодисперсных частиц, уменьшающих газопрони-

цаемость шихты. Перечисленные причины вызывают тугой ход печи при выплавке

передельного чугуна уже при повышении содержания кислорода в дутье на 2–3%,

если оно не сопровождается мерами, понижающими температуру в зоне горения.

Повышение концентрации окиси углерода в газе увеличивает непрямое вос-

становление, соответственно уменьшая расход тепла на прямое восстановление при

условии, если будет обеспечено достаточное количество газов и их рациональное

распределение.

Уменьшение количества горнового газа и повышение его температуры изме-

няют условия теплообмена так, что тепло от газов к шихте очень интенсивно пере-

дается в нижней части печи. В верхние зоны печи газ приходит с более низкой тем-

пературой, чем при обычном дутье.

Рисунок 2 - Распределение температур в шахте печи при обычном (а) и обогащен-

ном до 27–28% О2 (б) дутье (цифры у кривых – температура, 0С; цифры у горизонта-

лей – расстояние по высоте от уровня фурм, м)

Меньшее количество колошникового газа и более низкая его температура

уменьшают количество уносимого с газом из печи тепла, способствуя экономии

кокса. Наконец, увеличение производительности печи при обогащении дутья кисло-

родом уменьшает потери тепла в расчете на единицу чугуна.

Но обогащенное кислородом дутье вызывает и неблагоприятные изменения в

тепловом балансе. Они сводятся к следующему. Понижение температуры в верхней

части печи приводит к запаздыванию начала непрямого восстановления. Кроме то-

го, оно может уменьшиться вследствие нарушения ровности хода печи при обога-

щенном кислородном дутье. Таким образом, увеличение содержания окиси углерода

в газе способствует увеличению степени непрямого восстановления, а понижение

температуры и нарушение ровности хода действует в противоположном направле-

нии. Следовательно, степень непрямого восстановления может измениться в любом

направлении в зависимости от обстоятельств.

При обогащении дутья кислородом сокращается приход тепла в горн с дутьем

в связи с уменьшением содержания азота в дутье. Компенсировать уменьшение

прихода тепла с дутьем увеличением его нагрева при выплавке передельного чугуна

невозможно, так как температура в зонах горения и без этого уже предельно высо-

кая.

Таким образом, влияние обогащения дутья кислородом на расход кокса в ка-

ждом конкретном случае зависит от соотношения перечисленных факторов. В одних

случаях расход кокса уменьшается, в других – возрастает.

Теоретический анализ влияния обогащения дутья кислородом на расход кок-

са, произведенный проф. А.Н. Раммом, показал, что наибольший эффект от кисло-

родного дутья следует ожидать там, где выше развита степень прямого восстанов-

ления, ниже температура дутья и выше температура колошника. Это подтверждает-

ся и практикой работы доменных печей, выплавляющих различные виды чугунов.

Все факторы обогащенного кислородом дутья, отрицательно влияющие на ход печи

и показатели ее работы при выплавке передельного чугуна, оказывают положитель-

ное влияние при выплавке доменных ферросплавов. Если производительность печи,

выплавляющей передельный чугун, на каждый 1% увеличения кислорода в дутье

увеличивается в среднем на 2–3%, а предельное содержание кислорода в дутье не

может быть выше 24–26% из-за нарушения ровного хода, то при выплавке, напри-

мер, ферросилиция, содержании кислорода в дутье 33% производительность возрос-

ла более чем в два раза, а расход кокса сократился с 2,3 до 1,67 т/т ферросилиция.

При выплавке ферросплавов высокотемпературное тепло в доменной печи

расходуется на прямое восстановление трудновосстановимых элементов. Темпера-

тура в горне возрастает в меньшей мере, чем при выплавке передельного чугуна.

Высокая газопроницаемость шихты вследствие более высокого относительного рас-

хода кокса при выплавке ферросплавов позволяет значительно более форсировать

ход печи дутьем, чем при выплавке передельного чугуна.

Уменьшение количества и понижение температуры колошникового газа, а

также уменьшение потерь тепла с охлаждающей водой и в атмосферу в расчете на

единицу сплава вследствие повышения производительности дают значительную

экономию кокса.

Поэтому при выплавке ферросплавов обогащенное кислородом дутье нашло

гораздо более широкое применение, чем при выплавке передельного чугуна. Только

совместная подача в горн обогащенного кислородом дутья и природного газа позво-

лила намного увеличить эффективность кислорода при выплавке передельного чу-

гуна.

Природным газом

В последние годы в доменном производстве в широком промышленном мас-

штабе применяют природный газ. Первые в мировой практике промышленные опы-

ты использования природного газа в доменном производстве относятся к октябрю

1957 г., когда на одну из доменных печей Днепропетровского металлургического

завода им. Петровского подали природный газ Шебелинского месторождения. Уже

в первые дни при расходе природного газа 70–90 м3/т чугуна расход кокса умень-

шился на 10–14%. Высокая эффективность природного газа предопределила бы-

строе его распространение на другие заводы. В 1969 г. с применением природного

газа работали 105 печей из 132.

Используя естественное давление природного газа, его подают в печь через

фурмы в зоны горения вместе с нагретым дутьем. Природный газ состоит в основ-

ном из метана СН4 (свыше 90%), остальное – более тяжелые углеводороды состава

CmHn и незначительные количества (< 1 %) СО2, N2 и др. Смешиваясь с дутьем в

фурме и в кислородной зоне, природный газ более или менее полно сгорает по реак-

циям

СН4+2О2 СО2+2Н2О,

СН4+1,5О2 СО+2Н2О,

СН4+0,5О2 СО+2Н2.

Реакциям горения предшествует разложение углеводородов природного газа,

протекающее с затратой тепла, например

СН4С + 2Н2 –79,449 Мдж (19000 ккал).

За пределами кислородной зоны образовавшиеся СО2 и Н2О взаимодействуют

с углеродом кокса, превращаясь в СО и Н2

СО2 + С 2CO,

Н2О + СН2+СО.

Таким образом, вне окислительной зоны, где невозможно существование СО2

и Н2О в присутствии углерода, горение природного газа дает в конечном счете толь-

ко смесь СО и Н2. Результирующая реакция горения метана природного газа в горне

доменной печи при сухом атмосферном дутье с учетом теплового эффекта описыва-

ется уравнением

СН4+0,5О2+0,5 3,76N2 CO + 2H2 + l,88N2+38,016 Мдж (9080 ккал).

Если не учитывать кратковременности существования образующихся при го-

рении природного газа СО2 и Н2О, которые оказывают влияние только па распреде-

ление температуры в окислительной зоне и на ее объем, но не оказывают влияния на

баланс тепла в зоне горения, то реакцию в тепловом отношении можно рассматри-

вать как состоящую из двух реакций

СН4С + 2Н2 -79,449 Мдж (19000 ккал),

С+0,5О2+0,5 3,76N2 CO+ 1,88N2+117,565 Мдж (28080ккал);

СН4+0,5О2+0,5 3,76N2CO + 2H2 + l,88N2+38016 Мдж (9080 ккал).

При вдувании природного газа в горн печи в ходе доменного процесса возни-

кают изменения, вызывающие в свою очередь изменения в результатах работы печи.

По данным проф. А. Н. Рамма, эти изменения характеризуются зависимостями.

Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет: 1) увели-

чения непрямого и уменьшения прямого восстановления; 2) замены части углерода

кокса углеродом природного газа и 3) уменьшения прихода серы в печь, основности

и выхода шлака вследствие уменьшения расхода кокса, вызываемого первыми дву-

мя факторами.

В последнее время для устранения понижения температуры в горне предло-

жено вдувать в доменные печи продукты разложения (конверсии) природного газа

СО и Н2, предварительно нагретые до температуры выше 1000° С. Однако прове-

денные опытные плавки с вдуванием в горн конвертированного природного газа

успеха не имели вследствие конструктивных недостатков установок для конвер-

сии природного газа и главным образом неблагоприятных изменений в ходе домен-

ного процесса.

Отрицательной стороной применения природного газа является ухудшение

газодинамических условий процесса вследствие увеличения объема горновых газов

и снижения газопроницаемости, вызванного уменьшением расхода кокса. Для со-

хранения условий нормального опускания шихты при вдувании природного газа

уменьшают расход дутья, вследствие чего интенсивность хода печи по сжигаемому

коксу уменьшается, а понижение расхода кокса не сопровождается соответствую-

щим повышением производительности. В зависимости от условий (качества шихты,

возможностей нагрева дутья) рост производительности при вдувании природного

газа на разных печах составил 1–3%, а на некоторых печах производительность и

вовсе не увеличилась. Увеличение производительности получили на тех печах, где

интенсивность хода с применением природного газа снизилась в меньшей мере, чем

относительный расход кокса.

В целях повышения интенсивности хода при работе с природным газом осо-

бое внимание следует уделять улучшению газопроницаемости шихты (качеству ма-

териалов), а также повышать давление газов в рабочем пространстве доменной печи

и содержание кислорода в дутье путем его обогащения.

Этоже, но Кратко

Обеспечение природным газом. Практически все предприятия черной металлургии РФ с доменным производством снабжаются природным газом расчетным давлением 1.2 МПа, поэтому подача природного газа давлением 0,75-0,8 МПа на вдувание в доменные печи по существующей схеме проблем не создаст. Потребуется дооборудование существующей системы вдува природного газа в фурмы специальной автоматически действующей установкой для получения газокислородной смеси заданного состава. При вдувании природного газа в фурмы доменной печи в виде газокислородной смеси коэффициент замены кокса природным газом, в зависимости от удельного расхода последнего, увеличивается на 0,03-0,15 кг/м3.

Обеспечение кислородом.Кислород на обогащение дутья до 35% подается на всас турбовоздуходувки по существующей схеме. Степень обогащения воздуха кислородом ограничена этой величиной для исключения проблем, связанных с возможностью возгорания воздухопровода горячего дутья при температуре 1200 °С (и более) и расчетном давлении дутьевого воздуха 700 кПа. Остальное количество кислорода (5 и 7% варианты Б и В соответственно) подается в смеси с природным газом. Удельный расход кислорода составляет по варианту Б - 176,5, по варианту В - 193,8 м3/т чугуна, в то время как при производстве чугуна по бескоксовым технологиям - процессы: "Соrех" - 700 м3/т, "Hismelt" - >200 м3/т, "Ромелт" - 700-800 м3/т. Процесс "HYL" осуществляется при абсолютном давлении в реакторе >650 кПа и удельном расходе природного газа до 470 м3/т губчатого железа.

Приведенные примеры подтверждают, что как по удельным расходам кислорода и природного газа, так и по давлению в печи предлагаемая технология интенсификации доменной плавки по предельным параметрам не имеет преимуществ перед другими процессами. Для обогащения дутья кислород подается на всас воздушного компрессора под давлением 3-4 кПа на выходе из воздухоразделительной установки. Для получения смеси с природным газом в освоенных в печах ОАО "Тулачермет", НТМК и "Северсталь" используется кислород давлением не менее 0,8 МПа.

Комбинированное дутье

Комбинированным называется дутье с добавками окислителей (кислород,

пар) и восстановителей (природный газ, коксовый газ, мазут, пылеугольное топливо

и др.). Наибольшее распространение получило сочетание обогащения дутья кисло-

родом с вдуванием природного газа.

Основной положительный эффект при вдувании природного газа состоит в

значительном сокращении расхода кокса, а при обогащении дутья кислородом – в

увеличении производительности печи. Но достижение возможного эффекта при

вдувании природного газа ограничивается его отрицательными сторонами – увели-

чением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а достижение

возможного эффекта обогащенного кислородом дутья ограничивается, наоборот,

чрезмерным увеличением температуры в горне. При этом объем горнового газа

уменьшается. Совместное же применение этих двух интенсификаторов позволяет

усилить положительный эффект каждого из них и взаимно компенсировать свойст-

венные им недостатки.

Таким образом, наибольший эффект дает совместное использование таких

добавок к дутью, которые оказывают на доменный процесс противоположное дей-

ствие. Направление изменений параметров доменного процесса, вызываемых при-

менением обогащенного кислородом дутья и природного газа.