1. Производство горячих восстановительных газов
Перспективность вдувания горячих восстановительных газов в доменные печи привлекает в СССР и в других технически развитых странах все большее внимание к проблеме разработки способов их производства. В промышленном масштабе были опробованы различные варианты конверсии природного и других газов, жидкого топлива, а также газификации твердого топлива. В зависимости от вида окислителя углерода (пар, углекислота, технологический кислород и воздух) различают конверсию паровую, углекислотную, кислородную и воздушную. Наряду с их разработкой предложены и в ряде случаев опробованы комбинированные виды конверсии (углекислотная, пароводяной реформинг мазута, частичное окисление углеводородов вдуваемых реагентов и др.). Впервые в СССР в промышленном масштабе горячие восстановительные газы были получены в 1964 - 1966 гг. методом паровой каталитической конверсии природного газа на специально построенной установке на заводе "Азовсталь" для вдувания в печь № 3 объемом 1300 м3. Смесь природного газа и пара нагревали в трех газонагревателях регенеративного типа с кучной насадкой. Каждый газонагреватель был оборудован двумя короткофакельными горелками в куполе. Установка обеспечивала производство 17 - 35 тыс. м3 газа/ч с температурой 1120 - 1200°С при себестоимости 1000 м3 конвертированного газа 13,7 руб - 14,9 руб. Для активизации реакции конверсии природного газа по реакции СН4 + Н2О = 3H2 + СО, а также для подавления побочной при этом реакции сажеобразования, верхнюю часть насадки газонагревателя пропитывали раствором азотнокислого никеля. Однако применение указанного катализатора предполагаемого эффекта не дало. В то же время на насадке газонагревателей, а также в тракте движения газа, отлагалось значительное количество углерода в виде сажи, которая затем частично или полностью сгорала в период разогрева газонагревателей.
При взаимодействии отложившейся сажи с азотнокислым никелем образовались легкоплавкие эвтектики, приводящие к оплавлению насадки в период нагрева и увеличению сопротивления движения газов в газонагревателях до 39,2-98 кПа. Осаждаясь на более холодных по сравнению с трактом горячего газа поверхностях шиберов и их кольцах, сажа забивала пазы колец шиберов, что нарушало своевременный перевод газонагревателей на последующий режим. Это в ряде случаев затрудняло или делало невозможным обеспечение стабильного состава газа, а также осложняло работу оборудования. Эти обстоятельства явились главной причиной весьма короткого межремонтного периода работы установки, который обычно не превышал 1-2 мес.
Следует также отметить еще один весьма крупный недостаток рассматриваемой технологии производства горячих восстановительных газов: в период разогрева газонагревателя никель катализатора частично окислялся, а в период производства газа отдавал этот кислород, резко ухудшая состав газа, делая его нестабильным. Образующийся в первые пять минут периода производства и содержащий до 45 % окислителей газ приходилось выводить из процесса и сжигать на свече. Таким образом, в большинстве случаев удавалось обеспечить получение газа следующего состава, % (по массе): Н2 75,0 - 78,0; СО 21,0 - 23,0; СН4 1,0 - 1,5; СО2 0,15 -0,25; Н20 1,5 - 2,5.
Из других вариантов паровой конверсии природного газа можно отметить метод ее получения с применением никелевого и щелочного катализаторов, осуществленный для производства горячих восстановительных газов американской фирмой "Келлог". Производимый газ используется для синтеза аммиака и в установках прямого получения железа, в частности, в установках по производству губчатого железа процессом Охалата и Ламина в Мексике. В газе содержится 90 - 93 % восстановителей. Затраты на установку производительностью 70 тыс. м3 газа/ч 2,9 млн. долларов, а стоимость 1000 м3 восстановительного газа с 93% окиси углерода и водорода в ценах 1971 г. - 8 долларов.
Восстановительный газ с содержанием, %(по массе): Н2 70 - 72; СО 16 — 18; СН4 2-4 (СО2 + Н2О) 3, N2 6 - 7 получали в 1972 г. методом паровой конверсии с последующей отмывкой углекислоты моноэтаноламином на заводе фирмы "Кокриль" (Бельгия). Производительность двух установок составляла 8000 м3/ч холодного газа. Нагрев такого газа до 1200°С осуществляли в трубчатом рекуператоре, а затем в аппарате для частичного сжигания газа в токе кислорода. Такой газ вдували в доменную печь этого завода объемом 430 м3 [71].
Из комбинированных схем паровой конверсии природного газа, разработанных ГИАПом по данным ЦНИИЧМ, наиболее приемлемой по составу и себестоимости получаемого газа, но требующей проработки и проверки в производственных условиях, является двухступенчатая конверсия. В этом случае на первом этапе природный газ и пар в определенном соотношении проходят в присутствии катализатора через трубчатую печь и шахтный конвертор, где нагреваются до температуры выше 1000°С. Затем смесь проходит котел-утилизатор, теплообменник подогрева питьевой воды, холодильник и поступает в абсорбер, где орошается раствором моноэтаноламина. Указанный технологический цикл позволяет получить газ, в котором содержание окислителей не превышает 1 %. На втором этапе газ вновь пропускают через газонагреватель, на выходе из которого его температура достигает 1200°С. Капиталовложения в создание промышленной установки ориентировочно оцениваются в 7,6 млн. руб. При производительности установки 140 тыс. м3/ч расчетная себестоимость составляет 9 руб. 38 коп. за 1000 м3 газа. Возможность производства восстановительных газов для доменной плавки путем конверсии коксового газа водяным паром доказана исследованиями УХИНа. Эксперименты выполнены на пилотной установке.
В 1964 — 1968 гг. методом пароуглекислотной конверсии природного газа осуществляли производство горячих восстановительных газов на НТМЗ для вдувания в печь объемом 930 м3. Способ их получения основан на окислении углеводородов кислородом пара и углекислотой колошникового газа. Горячие восстановительные газы нагревали в трех аппаратах регенеративного типа с кучной насадкой. В ходе экспериментов газонагреватели были реконструированы, кучная насадка заменена на организованную. Производительность установки на заключительном этапе экспериментов и вдувании в печь в 1968 г. достигла 30 - 56 тыс. м3/ч с температурой газов 1150 - 1230°С. Существо недостатков способа производства горячих восстановительных газов было тем же, что и на установке завода "Азовсталь": выпадение сажи из конвертированного газа на насадке газонагревателей и в газопроводах, нестабильный состав получаемого газа (в частности, колебания СО, за отрезок времени 15 - 20 мин. доходили до 15-20 мин.), межремонтный период работы установки не превышал 2-3 месяцев. Отмеченные недостатки явились причиной прекращения производства газа. Стоимость основных фондов установки составила 6 млн. руб. Себестоимость 1000 м3 конвертированного газа - 13 руб. 63 коп. [17]. Из других вариантов получения горячего восстановительного газа с помощью углекислотной конверсии представляют интерес исследования, выполненные в Японии. На установке производительностью 20000 м3/сут опробован процесс нагрева коксового газа до температур, превышение которых приводит, к сажевыделению. Нагретый газ конвертировали колошниковым газом, имевшим более высокую температуру, и полученные продукты вдували в экспериментальную доменную печь[72].
На установке фирмы Мидрекс металлургического завода фирмы Гамбургер Штальверке (ФРГ) горячий восстановительный газ получали методом углекислотной каталитической конверсии природного газа с помощью очищенного колошникового газа шахтной печи. Перед вдуванием его нагревали в аппаратах рекуперативного типа. Газ имел следующий состав, %: СО2 0,5 - 3,0; СО 24 - 35; Н2 40 - 60; СН4 3-6; N2 12-15. Такой газ использовали при производстве губчатого железа. При производстве губчатого железа процессом, предложенным фирмой Пурофер, в ФРГ горячие восстановительные газы получают методом углекислотной или воздушной конверсии природного газа. Используемый катализатор устойчив к сере и сажистому углероду ч позволяет иметь пониженное содержание окислителей в газе при температуре 1000 - 1100°С [73].
В ряде организаций и предприятий различных стран для производства горячих восстановительных газов были опробованы многие варианты кислородной конверсии газов и жидкого топлива. В центральном научно-исследовательском институте фирмы Ниппон кокан (Япония) горячий восстановительный газ получили методом, разработанным фирмой Тексако девелопмент корпорейшен, заключавшимся в окислении мазута парокислородной смесью в специальной установке. Газ содержал до 4 % сажи. Его использовали для вдувания в экспериментальную доменную печь объемом 3,2 м3 [74]. Такой же метод был положен в основу производства газа на заводе Хирохата (Япония) для вдувания в печь объемом 1961 м3. Производительность установки при температуре 1500°С составляла 16000 м3/ч газов, получаемых из 5000 кг мазута, 800 кг пара и 4100 м3 кислорода. Состав газа, %: СО 43,5; Н2 43,5; СО2 3,5; Н20 7,5, а также некоторое количество сажи [75].
Способом, разработанным фирмой Тексако девелопмент корпорейшен, горячие восстановительные газы получали не только путем частичного окисления мазута, но и окисления природного и коксового газа. Производимые данным способом газы при температуре около 1000°С содержали 8 - 12 %, а иногда и больше паров воды. Производство горячих восстановительных газов методом парокислородной конверсии мазута было организовано на четырех установках непосредственно у доменной печи в Помпе (Франция). Получаемый газ содержал 15,7 % окислителей [73].
В экспериментах в Брюстауне (США) кислородную конверсию природного газа осуществляли с помощью горелок с водоохлаждаемой рубашкой и камер сжигания. Полученный газ с целью снижения температуры разбавляли колошниковым газом и вдували в экспериментальную доменную печь производительностью 60 т/сут. Метод кислородной конверсии природного газа использовали для производств горячих восстановительных газов и вдувания их в опытную доменную печь объемом 8,5 м3 фирма Кокриль (Бельгия). В состав установки входили пять реакторов, представляющие собой охлаждаемые водой и футерованные глиноземистым огнеупором стальные сосуды, которые монтировали непосредственно у ввода газа в печь.
Следует отметить, что при производстве горячих восстановительных газов методом кислородной конверсии газа и жидкого топлива, а также в ряде случаев конверсии, где источником окисления является не только технологический, а и технический кислород, проявляются некоторые особенности. Так, для достижения низкого содержания окислителей в получаемом газе необходимо поддерживать весьма высокую температуру, уровень которой часто превышает 1400°С, что в производственных условиях в настоящее время сопряжено с серьезными трудностями. При этом обеспечение высокой температуры достигается за счет избыточного расхода кислорода, что в свою очередь приводит к росту окислителей в составе газа. Такая ситуация складывалась, например, при экспериментах на заводе фирмы Кокриль (Бельгия), где по расчету для повышения температуры газа необходимо было иметь почти 50 %-ный избыток кислорода, которому соответствует содержание в газе 12 - 18 % Н2О. Необходимо подчеркнуть, что высокая температура газа приводит к интенсивному развитию реакции сажевыделения. Такие явления, в частности, наблюдались при отработке режима кислородной конверсии в исследованиях ЦНИИЧМ.
Что касается способов производства горячих восстановительных газов фирм Мидрекс и Пурофер, то следует отметить, что состав газа по содержанию окислителей и сажи близок к оптимальному для вдувания в доменные печи. Однако остается нерешенным вопрос о производстве газа такого состава и температуры на уровне 1200 - 1300°С в количествах, соизмеримых с потребностями доменного производства.
Вероятным направлением развития дальнейших исследований при разработке способов производства горячих восстановительных газов методами конверсии газов и жидкого топлива может быть поиск достаточно надежных катализаторов, способных полностью устранить или ослабить перечисленные трудности, не позволившие пока организовать производство горячих восстановительных газов в промышленном масштабе.
Наряду с различными видами конверсии природный газ может быть подвергнут пиролизу на сажу и водород. Такой способ проверен во ВНИИГАЗе на полупромышленной установке. Образующаяся сажа затем газифицировалась парами воды с образованием окиси углерода и водорода. Реализация способа в промышленном масштабе технически сложна. Себестоимость 1000 м3 газа в этом случае, по данным ЦНИИЧМ, превысит 20 руб.
Кислород, так же как и при окислении углерода газа или жидкого топлива, можно вводить в процесс либо с технологическим кислородом, либо с водяным паром, либо с углекислотой. В процессе, предложенном и разработанном Бибергом, восстановительный газ, как известно, получают в электрогенераторе газификацией кокса с помощью пара и газа, отходящего из шахтной печи при температуре около 950°С с содержанием более 4 % окислителей. В промышленном масштабе с помощью такого газа получают губчатое железо. В настоящее время проведен ряд исследований в лабораторном и полупромышленном масштабах, направленных на дальнейшее развитие процесса Виберга. В частности, институтом газа АН УССР посредством перегрева газа в электрогенераторе показана возможность получения газа с небольшими количествами углекислоты и паров воды.
Из ведущихся в ряде стран исследований следует отметить разработки по получению горячих восстановительных газов методом высокотемпературной плазменной конверсии. Однако затраты на их производство еще высоки. По оценки ЦНИИЧМ они составляют 17 - 27 руб/1000 м3.
Способы производства горячих восстановительных газов из колошникового газа существенно отличаются от способов их производства методами конверсии газов, жидкого топлива, газификации твердого углерода. Однако прежде чем говорить об этом, необходимо отметить, что возможности повторного использования колошникового газа в технологическом процессе на протяжении ряда лет были предметом внимания многих исследователей. Патент на работу доменной печи с регенерацией доменного газа выдан Вольскому в 1899 г. На неиспользованные возможности состава колошникового газа по утилизации углерода обращал внимание М.А.Павлов. В 1963 г. опубликована работа Н.К. Леонидова, в которой рассмотрен рециркуляционный цикл с использованием колошникового газа для производства горячих восстановительных газов.
В промышленном масштабе регенерация колошникового газа практическое осуществление получила лишь в электродоменном производстве в 1920 г. в Аосте (Италия). В этом случае большую часть колошникового газа с низким содержанием углекислоты вновь вдували в горн [76]. В настоящее время использование колошникового газа предусматривает его очистку от углекислоты и паров воды методом их взаимодействия со специально вводимыми реагентами и удаления продуктов взаимодействия из дальнейшего участия в процессе. При последующем (так же как и в ранее рассмотренных способах) нагреве очищенный от углекислоты колошниковый газ позволяет получить горячие восстановительные газы, которые лишены основных недостатков, присущих газам, полученным методами конверсии: не происходит выпадение сажи, значительно увеличивается стабильность состава газа, существенно уменьшается количество окислителей. В получении горячих восстановительных газов из колошникового газа есть еще одно весьма важное достоинство. Дело в том, что в лабораторных и даже полупромышленных масштабах при разработке способов производства горячих восстановительных газов методами конверсии природного газа получаемый газ отвечал основным требованиям доменного процесса, однако, при производстве в увеличенных количествах, соизмеримых с потребностью доменных печей, выявлялись многие из указанных ранее недостатков. При производстве же горячих восстановительных газов методами очистки колошникового газа or углекислоты большинство недостатком в промышленном масштабе может быть либо ликвидировано полностью (выпадение сажи), либо в значительной степени уменьшено (колебания в содержании отдельных составляющих, содержание окислителей). Химическая промышленность уже накопила опыт по производству восстановительных газов методами очистки от углекислоты с низким содержанием окислителей при невысоких температурах и необходимых для доменного производства количествах. Расчеты и лабораторные исследования дали основания полагать, что такими способами может быть получен и горячий восстановительный газ.
Заслуживает внимания способ производства горячих восстановительных газов в рециркуляционном цикле методом очистки колошникового газа с помощью моноэтаноламина. Характеристики вдуваемого газа улучшаются, если в рециркуляционный цикл вводят другой газ, имеющий в своем составе или способный дать при реформации, как преобладающую составляющую, восстановительные компоненты. Соотношение восстановителей и азота можно регулировать количеством газа, как выводимого из цикла, так и вводимого дополнительно. С учетом указанных особенностей разработан комплекс установок по производству горячих восстановительных газов Гипромезом. Этот вариант принят для внедрения.
За последние несколько лет во многих технически развитых странах зарегистрирован ряд изобретений и выданы патенты на способы производства горячих восстановительных газов из газов, жидких топлив и углей. В частности, в одном из японских патентов предусматривается кислородная или воздушная конверсия коксового газа с последующей дополнительной его конверсией. Вдувание полученного газа в доменную печь осуществляют одновременно с дутьем, обогащенным кислородом. В патенте, выданном в США, получаемый восстановительный газ, кроме окиси углерода и водорода, содержит еще и ацетилен. Газ образуется из углеводородного сырья и кислорода или воздуха, обогащенного кислородом, в генераторах, смонтированных вокруг печи в районе нижней части шахты. Конверсию жидкого топлива в одном из патентов, выданном в ФРГ, предлагается осуществлять в циклонном конверторе-пылеуловителе. Газ вдувают в печь после осаждения сажи. В польском патенте для производства горячих восстановительных газов намечается использовать угольную пыль, сжигаемую в реакторе в токе воздуха, нагретого до 1200°С [ 73].
Значительная часть изобретений и патентов по способам производства горячих восстановительных газов относится к использованию для этих целей в рециркуляционном цикле колошникового газа, очищенного от углекислоты. Углекислота из рециркуляционного цикла выводится. Однако во многих схемах не указывается или указывается в общих чертах, недостаточных для всесторонней оценки, реагент, с помощью которого производится эта очистка, хотя выбор реагента имеет существенное значение как для создания всего комплекса по очистке газа, так и для оценки затрат на производство горячего восстановительного газа. Как правило, предусмотрены меры, направленные на возможно меньшее содержание азота в производимом газе. Для этого, в частности, предусмотрен отбор колошникового газа на определенных участках доменной печи. Чаще всего отбирается периферийный газ с низким содержанием азота, а в ряде случаев и углекислоты. Другим средством понижения содержания азота, а в некоторых случаях и окислителей во вдуваемом газе является применение дополнительного газа с высоким содержанием окиси углерода и водорода, получаемого из других источников. Для этой цели во многих случаях используют углеводороды, о чем указывалось ранее рядом исследований и, в частности, Н.К. Леонидовым [77]. В подавляющем большинстве случаев вдувать газ предложено в шахту печи.
Рис. 11. Схема работы доменной печи (.патент ФРГ) с вдуванием горячих восстановительных газов, производимых в рециркуляционном цикле (обозначения цифр в тексте)
В качестве примера рассмотрим одну их схем работы доменной печи с рециркуляционным циклом, запатентованную в ФРГ фирмой Ниппон Кокан (рис. 11). Основные положения этой схемы состоят в следующем. Колошниковый газ домен-той печи 1 очищается от углекислоты на установке 5. Очищенный газ 6 и восстановительный газ со стороны поступают в газонагреватель 8, где нагреваются до температуры 800 - 1000°С. Отапливают газонагреватель колошниковым газом 2, а образующиеся дымовые газы отводят в трубу 9. Полученный в газонагревателе газ 15 вводят в печь выше зоны шлакообразования 16. Горячее дутье 14 поступает в доменную печь из воздухонагревателя 10, отапливаемого колошниковым газом 3. Дымовые газы отводят в трубу 9. Холодное дутье 12 в воздухонагревателе нагревают до 1150°С. Для забора из общей линии 3 колошникового газа с пониженным содержанием азота служит регулятор 4. Количество холодного дутья 12 дозируют регулятором 11. Для забора колошникового газа из обшей линии служит регулятор 13 [78].
В рециркуляционном цикле, так же как и в других способах производства горячих восстановительных газов, эффективность их применения в значительной степени определяется уровнем нагрева. Таким образом, очистка от углекислоты, ввод дополнительного восстановительного газа, высокая температура нагрева - отличительные черты способа производства горячего восстановительного газа в рециркуляционном цикле из колошникового газа, обеспечивающие его эффективное применение.
В настоящее время появились и другие варианты способов производства горячих восстановительных газов. Некоторые из них основаны на использовании колошниковых газов с низким содержанием углекислоты другой доменной печи, перерабатывающей металлизированную шихту. Для нагрева восстановительных газов, а также получения водорода для вдувания в доменную печь в перспективе может быть использовано тепло, образующееся в результате использования атомной энергии. Это направление только начинает развиваться, и проблемы в этой области еще ждут своего решения. Производство кислорода для совместного вдувания с горячими восстановительными газами может быть осуществлено действующими кислородными блоками. Эффективность применения технологического кислорода в этом случае будет тем выше, чем ниже в нем содержание азота.
3. Ввод в печь горячих восстановительных газов и технологические требования к ним.
В предыдущих разделах рассмотрены особенности ввода горячих восстановительных газов и кислорода в воздушную фурму и показаны его определенные достоинства. В частности, речь шла о более полном смешивании струй дутья и газа по сравнению с освоенными режимами, имеющем принципиальное значение для улучшения использования углерода и водорода в газовом потоке. Отдавая предпочтение вводу указанных компонентов через воздушную фурму, следует, тем не менее, рассмотреть предложения, а также делавшиеся ранее эксперименты в опытном и промышленном масштабе использования других областей доменной печи. В некоторых исследованиях отмечается целесообразность вдувания горячих восстановительных газов в шахту. Одним из доводов такого выбора является ввод газа на горизонтах, находящихся над определяющей зоной, которой в освоенных режимах обычно оказываются нижние горизонты, включая распар. В качестве другого довода высказывалась целесообразность вводить газы с повышенным количеством окислителей, что значительно упрощает процесс производства газа, а также обеспечение более равномерного распределения газового потока подачей горячего восстановительного газа в зону рудного гребня. В этой связи следует отметить, что вдувание горячих восстановительных газов на горизонтах, расположенных выше уровня воздушных фурм, вряд ли обеспечит существенное улучшение работы печи. Это лишь может переместить определяющую зону в более верхние горизонты, не повысив интенсивность плавки. Введенные же в верхние горизонты газы с повышенным количеством окислителей в какой-то мере ускорят восстановительные процессы в шахте, но это ускорение не будет значительным, вследствие того, что отбираться будет сравнительно легко теряемый кислород высших окислов, а кислород вьюстита как и ранее, в подавляющем большинстве случаев будет отбираться за счет прямого восстановления.
При вдувании горячих восстановительных газов на более верхних горизонтах может создаться впечатление, что это даст возможность добавить количество дутья и интенсифицировать плавку. На самом деле это не так, поскольку дополнительное количество дутья будет дополнительно сжигать и кокс, который мог быть (частично или полностью) сэкономлен от более эффективного использования восстановительной работы газов, в случае их вдувания в фурменную зону. Вдувания же горячего восстановительного газа в зону рудного гребня практически (и технологически, и конструктивно) весьма сложно, особенно подача необходимого количества газа в строго определенный район. Кроме того, вполне вероятно, что происходящие смещения рудного гребня не только не ослабят, а наоборот, могут даже усилить неравномерность характеристик (потеря кислорода, металлизация и др.) опускающихся по радиусу доменной печи материалов. Наконец, вдуваемые в шахту или распар газы будут использоваться хуже из-за уменьшения высоты столба обрабатываемых газами материалов и в силу этого более низкой отдачи их восстановительной способности и физического тепла.
В промышленном масштабе вдувание газов в шахту началось с холодного природного газа. В конце 50-х годов оно было проведено на печах заводов "Запорожсталь" и "Азовсталь", но успеха не принесло.
Эффективность вдувания горячих восстановительных газов в шахту можно оценить посредством сопоставления величин эквивалентов замены кокса, полученных в опытных плавках на промышленных и экспериментальных печах в СССР, Бельгии, Японии и США.
Так, в большинстве случаев значение эквивалента замены кокса горячими восстановительными газами при вдувании их в шахту или распар меньше, чем при вдувании на НТМЗ в воздушные фурмы. (Особенности данных, полученных на заводе "Азовсталь", выше уже отмечались). В частности, на промышленной печи в Серне (Бельгия) при практически одинаковом удельном расходе горячего восстановительного газа оно ниже на 25 % и более. Особенно наглядно эффективность вдувания горячих восстановительных газов через воздушные фурмы по сравнению с вводом их в шахту или распар выглядит при сравнении с данными, полученными в Японии. Соотношение рассматриваемых величин оказалось выше в два и более раза. К этому следует добавить, что на экспериментальной печи в Кейхине (Япония) установлено, что повышение уровня ввода в верхние горизонты от оси воздушных фурм ухудшает значения эквивалента замены кокса горячими восстановительными газами. Как уже отмечалось, абсолютные величины ряда показателей, полученных на экспериментальных печах, во многих случаях не могут быть сравнимы с данными промышленных печей. Существенным обстоятельством здесь, по-видимому, оказывается меньший (в 20 — 60 раз) полезный объем печи, позволяющий более эффективно провести процессы теплообмена, газодинамики и др. В этом случае можно было бы ожидать больших значений эквивалентов замены кокса горячими восстановительными газами на экспериментальных печах. Однако такого повышения не произошло. Мало меняясь с ростом удельного расхода горячего восстановительного газа от 414 до 903 м3/т чугуна, они в целом за все периоды эксперимента оказались даже несколько ниже аналогичных величин, полученных на НТМЗ. Одним из самых сложных вопросов вдувания газа в шахту является надежное конструктивное решение ввода. Проведенные исследования показали, что устье устройства, устанавливаемого в шахте, через сравнительно небольшое время выходит из строя. В тех случаях, когда его высовывают за кладку шахты, оно обычно срезается шихтой, а когда делают на одном уровне с кладкой или закладывают в глубине кладки, — зарастает гарнисажем. Таким образом, вдувание газов в шахту осложняется серьезными практическими трудностями, которые в настоящее время вряд ли могут быть успешно преодолены. Более подходящей для ввода газа областью печи по сравнению с шахтой являются заплечики. Твердая фаза в них в основном представлена коксом, а струя вводимого газа может соединиться с фурменным очагом. Столб шихты, обрабатываемый газами при вводе их в этой зоне, значительно больше, чем в шахте. Однако, как показали эксперименты .на печи № 3 завода "Азовсталь" в 1965 г., при вдувании в эту область конвертированного газа произошло ухудшение технико-экономических показателей.
В 60-х годах эксперименты по вдуванию горячих восстановительных газов в заплечики проведены на печи завода в Помпе (Франция). Опыты были кратковременными. В период опытных плавок в 1966 г. на заводе "Азовсталь" горячие восстановительные газы вдували в печь № 3 через совмещенные воздушные фурмы. Такой ввод газа обеспечил удовлетворительное использование восстановительной способности окиси углерода и водорода в газовом потоке. В 1965 — 1968 гг. на печи объемом 930 м3 НТМЗ количество воздушных и газокислородных фурменных приборов по периодам исследования менялось. На заключительном этапе экспериментов в 1968 г., как уже отмечалось, восстановительные газы подавали в специальные газокислородные фурменные приборы, установленные на месте воздушных. Эти плавки показали, что вдувание горячих восстановительных газов (как с атмосферным воздухом, так и только с технологическим кислородом) непосредственно в фурменные очаги обеспечивало в тех реальных условиях, в которых оно проводилось, высокие технико-экономические показатели.
Таким образом, проведенные на печах эксперименты дают возможность утверждать, что область воздушных фурм является наиболее целесообразной для вдувания горячих восстановительных газов потому, что именно здесь обеспечивается более полное смешивание газа и дутья, чем при вводе газа на вышерасположенных горизонтах, создаются лучшие условия для работы газов по отбору кислорода от окислов железа, интенсивности по газу и участия в теплообменных процессах. С учетом вышеизложенного можно обобщить технологические требования, предъявляемые к горячим восстановительным газам. Для достижения наиболее полного восстановления шихты и степени прямого восстановления окислов железа по величине, близкой к нулю, горячие восстановительные газы (наряду с соответствующим их удельным расходом) должны иметь возможно более высокое содержание окиси углерода и водорода. Опытные плавки и выполненные расчеты показывают, что содержание окиси углерода и водорода в них должно доходить до 92 — 95 % за счет уменьшения содержания окислителей и азота. Необходимость исключения возможно большего количества азота из вдуваемого газа предопределяет применение безатмосферного дутья. При этом низкое содержание азота в горячих восстановительных газах при образовании горнового газа по сравнению с освоенными режимами не приведет к существенному изменению энтальпии этого газа, поскольку удельные расходы горячего дутья, обогащенного кислородом, и горячих восстановительных газов при работе на безатмосферном дутье отличаются несущественно, а теплоемкости окиси углерода и азота одинаковы. Минимальное содержание азота в горячем восстановительном газе может быть в некоторых случаях достигнуто вводом дополнительного количества газа, содержащего в основном восстановительные компоненты, например, природного газа.
Количество окислителей должно быть минимальным потому, что на их разложение в горне требуется значительное количество тепла. Как следует из расчетов, выполненных на основе материалов, полученных во время опытной плавки на НТМЗ, увеличение содержания окислителей на каждый процент (по объему) приводит к перерасходу кокса на 3,05 % [16]. Полное исключение окислителей из газа сопряжено с рядом трудностей и экономически будет нецелесообразно. Учитывая изложенное, их содержание не должно быть высоким и, в частности, на первых этапах находиться на уровне 2 — 3 %. Важное значение имеет вопрос соотношения окислителей и дополнительно вдуваемого восстановительного газа. Направленность и результаты реакции взаимодействия между ними будут зависеть от конкретных условий. Нельзя, например, при высоких расходах природного газа исключить возможность образования сажи и развития вызываемых окислением сажи эндотермических реакций.
Одним из важных технологических требований к составу вдуваемого газа является стабильность его состава, особенно по содержанию углекислоты, а также окиси углерода. Выше уже отмечалось, что нарушение установившегося содержания углекислоты во вдуваемом газе приводит к существенному изменению расхода кокса в связи с колебаниями в потреблении углерода. Учитывая опыт, приобретенный во время экспериментов на заводе "Азовсталь" И НТМЗ, вдуваемый газ не должен содержать сажи, присутствие которой не дает возможности обеспечить бесперебойное в необходимом количестве производство и стабильный состав горячего восстановительного газа, а также длительную работу установки.
Так же как и при освоенных режимах при осуществлении режима плавок с безатмосферным дутьем целесообразно стремиться к внесению в нижние горизонты печи максимально возможного количества тепла за счет нагрева вдуваемых компонентов, что будет способствовать улучшению его использования в целом по печи. Фактическое количество тепла будет определяться той его частью, которую внесут горячие восстановительные газы, поскольку подогрев технологического кислорода значительно усиливает его агрессивное отношение к металлу и поэтому вряд ли целесообразен. В силу этих причин уровень температуры горячих восстановительных газов должен быть возможно более высоким, составляя 1200 — 1500°С. Такой уровень нагрева газа должен обеспечиваться созданием мощных регенеративных аппаратов с учетом уже накопленного опыта по эксплуатации аналогичных устройств на заводе "Азовсталь" и НТМЗ и способствовать эффективному использованию восстановительной способности газового потока за счет достижения более высоких коэффициентов теплоотдачи углерода.
Комплекс установок по производству горячих восстановительных газов и кислорода должен обеспечивать: основные требования к горячим восстановительным газам по физико-химическим характеристикам; производство газа в количествах, позволяющих исключить из состава дутья атмосферный воздух; экономическую целесообразность их получения; эксплуатационный срок, соизмеримый с межремонтным периодом работы доменной печи.
Технологическим требованиям доменной плавки без атмосферного дутья отвечает кислород, имеющий в своем составе минимальное содержание азота. В перспективе оно не должно превышать 1 — 2 %. В настоящее время такую концентрацию кислорода обеспечивают кислородные блоки типа КАР-30.
Предъявляемые требования к горячим восстановительным газам и кислороду при их использовании обеспечивают высокие технико-экономические показатели работы не только в период эксплуатации печи на стабильном режиме, но и позволяют регулирование теплового состояния плавки. В.Г.Воскобойниковым и др. предложен способ поддержания стабильного теплового состояния доменной печи посредством изменения расхода выводимого из цикла рециркуляции доменного газа [82]. Это воздействует на количество циркулирующего азота и на содержание суммы восстановителей в отмытом от углекислоты доменном газе. При увеличении выводимого из рециркуляции отмытого газа сумма восстановителей в нем растет, а при снижении — падает. Соотношение восстановителей между собой в случае необходимости может быть отрегулировано изменением расхода углеводородов, добавляемых к отмытому доменному газу. Другим возможным способом регулирования теплового состояния, а также хода печи в условиях вдувания стабильных по составу горячих восстановительных газов является изменение количества пара, дополнительно вводимого в тракт кислорода.
Библиографический список