Энергоемкость металлургического кокса составляет 1170 — 1180 кг у. т./т кокса. Около 200 кг у. т. затрачивается при его производстве, что примерно в два раза больше, чем при получении 1 т окускованной шихты. Однако с учетом распределения доли этих материалов в шихте (около 1,7 — 1,8 агломерата и окатышей и 0,5 т кокса на 1 т чугуна) роль энергозатрат при получении кокса в энергоемкости чугуна меньше, чем затрат на подготовку железорудного сырья.
Основные пути снижения топливно-энергетических затрат при производстве кокса связаны с подогревом угольной шихты и сухим тушением кокса. Обычно загружаемый уголь в коксовые печи имеет влажность 6 - 12 %. При подогреве угля до 150 - 200°С он становится практически сухим. Использование подогретого угля одновременно позволяет увеличить производительность коксовых печей и улучшить качество кокса. В связи с подогревом энергоемкость кокса снижается на 5 — 15 кг у. т./т. В целом способы подогрева угля пока не разработаны. Перспективными являются подогрев и сушка измельченного угля в кипящем слое. Сухое тушение кокса позволяет снизить его энергоемкость на 40 — 50 кг у. т./т. Установки для сухого тушения кокса впервые разработаны в СССР, и дело в основном состоит в расширении , их применения. В настоящее время этими установками оборудованы лишь 15 — 20 % коксовых печей.
Экономия кокса в доменных печах.В энергоемкости; предельного чугуна на долю кокса и природного газа за вычетом топливных ВЭР (200 - 250 кг у. т./т чугуна) в среднем приходится 57 - 62 %, шихты 21 - 23 %, кислорода 3,5 -4,5 %, воздушного дутья 2 - 2,5 %. Особенностью использования топлива в доменном переделе является то, что 65 - 70 % его энергии расходуется на восстановление железа из руды. Например, из реакции косвенного восстановления со стехиометрическими коэффициентами в соответствии с условиями равновесия при 700°С (при равновесии с Fe СО/СО2 =1,5).
FeO + 2.5CO = Fe + CO2 + 1,5СО
следует, что на 1 кг железа расходуется 0,536 кг углерода. Поэтому не удается существенно снизить энергоемкость чугуна. При вдувании в доменные печи различных топливных добавок преследуется прежде всего цель экономии дефицитного кокса за счет использования менее дефицитных видов топлива — природного газа, мазута, угольной пыли и пр.
Нижняя ступень теплообмена, или зона прямого восстановления железа, является определяющей в расходе кокса. Увеличение восстановительной способности газов путем введения углеводородного топлива связано с повышением концентрации СО и Н2. В этом же направлении действует обогащение дутья кислородом и применение офлюсованного агломерата и окатышей. Водород в значительной степени увеличивает скорость восстановления рудного материала. С ростом содержания восстановительных газов и их давления степень косвенного восстановления железа увеличивается, что обычно приводит к сокращению расхода кокса. Однако влияние вдуваемого топлива и других факторов неоднозначно сказывается на работе печи и экономии кокса. Между количеством вдуваемого топлива, расходом кислорода, температурой подогрева и влажностью дутья должны быть установлены определенные соотношения, при которых условия работы печи оптимальны. Они соответствуют определенному температурному состоянию нижней ступени теплообмена печи и ее газодинамическому режиму. Например, теоретически, и практически доказано, что наибольший экономический эффект достигается при применении комбинированного дутья, если на 1 м3 кислорода вдувается 1,1 — 1,2 м3 природного газа, 0,8 -1,0 кг мазута или угольной пыли. Расход природного газа и кислорода в настоящее время составляет 100 — 120 м3/т. Средняя температура доменного дутья составляет около 1100°С, намечено ее постепенное повышение до 1200°С (в отдельных случаях при использовании насыпной насадки 1300 — 1400°С). Ожидаемое наибольшее снижение расхода кокса за счет оптимизации параметров дутья составит около 100 кг/т, т.е. расход кокса в среднем уменьшится не более чем до 400 кг/т.
Вдувание горячих восстановительных газов (рис. 8.2), например полученных путем очистки (отмывки колошникового газа от СО2), конвертирования природного газа и другого топлива, по прогнозам должно привести к дальнейшему снижению расхода кокса (до 300 — 350 кг/т и менее) и увеличению производительности печей. При использовании очищенного колошникового газа предполагается почти полностью исключить использование более дефицитного природного газа и снизить приведенные затраты на производство чугуна.
Основные требования к восстановительному газу: максимальная концентрация в нем СО и Н2 при минимальном содержании СО2, Н2О, СН4 и сажи. Восстановительный газ может быть получен путем конверсии углеводородного топлива и газификации угля кислородом, углекислым газом и паром. Некоторые показатели процессов конверсии природного газа приведены в табл. 8.1 и 8.2. Кислородная конверсия по капитальным затратам и эксплуатационным расходам является наиболее экономичной. Объясняется это простотой конструкции установки и отсутствием катализаторов.
Таблица 8.1. Показатели различных процессов конверсии природного газа (на 1000 м3 конвертированного газа) природного газа, м3 :
| Показатели | Конверсия | ||
|---|---|---|---|
| Паровая | Кислородная | Углекислотная (доменным газом) | |
| Расход: | |||
| Природного газа, м3 | |||
| на технологические нужды | 240—260 | 320-340 | 130-150 |
| пара, кг | 200 | - | - |
| кислорода, м3 | - | 200-210 | - |
| доменного газа, м3 | - | - | 550-600 |
| воздуха, м3 | 1600-1700 | - | 1300-1400 |
| катализатора, кг | 0,03 | - | 0,025 |
| огнеупоров, кг | 0,3-0,4 | 0,25 | 0,3-0,4 |
| Удельные капитальные затраты, руб | 7-9 | 3-5 | 5-7 |
| Полная энергоемкость, кг у. т. | 557 | 444 | 441 |
Таблица 8.2. Состав восстановительных газов, полученных различными процессами конверсии природного газа :
| Конверсия | СО2 | CO | H2 | CH4 | H2O | N2 |
| Углекислотная | 1,4-2,0 | 45-47 | 48-50 | 0,1-0,3 | 1,1-1,3 | 1,4-2,0 |
| Паровая | 1-2 | 20-22 | 65-68 | 1-2 | 5-8 | 0,5-1 |
| Воздушная | 1-1,5 | 15-17 | 34-38 | 1,5-2 | 5-10 | 35-40 |
| Кислородная | 1,24-2,3 | 31,3-32 | 50-59,2 | 0,48-3 | 6-12,9 | 0,5-1,07 |
Процессы паровой и углекислотной конверсии значительно сложнее в обслуживании и для их проведения требуется установка громоздкой аппаратуры, что не всегда компенсируется более высокими восстановительными свойствами получаемых газов.
Эффективность повышения восстановительного потенциала колошникового таза за счет конвертирования природного газа в значительной степени зависит от содержания в нем азота, т.е. и от обогащения доменного дутья кислородом.
На современном уровне очистки контролируемых атмосфер отмывка колошникового газа от СО2 может быть проведена адсорбционно-десорбцирнным способом с применением водяного раствора моноэтаноламина (МЭА). Этот процесс, по некоторым данным, считается относительно дешевым, позволяющим повысить восстановительный потенциал отработанного газа. Однако для осуществления обработки колошникового газа по такой технологии потребуются значительные площади (около 10 га на одну доменную печь). Кроме того, способ очистки газов с применением МЭА отличается высокой энергоемкостью и, что самое главное, значительным загрязнением окружающей среды парами и аэрозолями МЭА (ПДКр.з =0,5 мг/м3 ).
Развитие мембранной технологии, плазмохимии, а также совершенствование каталитических процессов и катализаторов в дальнейшем, видимо, позволят резко уменьшить габариты установок подготовки колошникового газа для повторного использования его в доменных печах. Например, уже в настоящее время Белорусским политехническим институтом с целью производства диоксида углерода (применяется в пищевой промышленности, сварочном производстве, нефтехимии и других отраслях) разработан экономичный и экологически чистый способ очистки продуктов сгорания от СО2 с применением твердых сорбентов — синтетических цеолитов, используемых в режиме кипящего и термопсевдоожиженного слоя с циркуляцией цеолита в системе адсорбер - десорбер, который может быть использован и для очистки колошниковых газов.
Оценка использования в доменных печах различных видов эндотермической конверсии природного газа показала, что применение горячих восстановительных газов (1100 — 1300°С) по сравнению с голодным природным газом снижает расход кокса в 1,2 — 1,5 раза.
Дополнительные капитальные затраты на систему отмывки МЭА и подогрева колошникового газа доменной печи производительностью 3,5 — 4,0 млн. т/год составляют примерно 11 млн. руб.; стоимость комплекса доменной печи при этом увеличивается на 16 %. Затраты на отмывку углекислоты составляют около 1,3 — 1,5 руб/т чугуна.
Предложено множество схем конверсии различного топлива и отмывки колошникового газа от СО2 (Н2 О). Часто отмывка колошникового газа совмещается с отмывкой продуктов конверсии другого топлива, богатого СО и Н2 , вводимого в циркулирующий поток колошникового газа. Целесообразно и обогащение (до 10 %) отмытого газа природным газом. Одна из возможных схем отмывки колошникового газа приведена на рис. 8.2. Очевидно, при использовании колошникового газа в качестве горячего восстановителя отпуск его заводским потребителям должен быть сокращен, что потребует его замены природным газом. Хотя КИТ при отоплении печей природным газом значительно выше, чем доменным, расход природного газа в целом по заводу при использовании горячих восстановительных газов возрастет эквивалентно снижению расхода кокса с учетом изменения физического тепла вдуваемых газов. Сбережение природного газа, который в настоящее время уже нельзя считать недефицитным топливом, может быть достигнуто использованием в качестве горячих восстановительных газов продуктов конверсии энергетических или других некоксующихся углей. В этом случае проблема снижения расхода кокса решалась бы одновременно с проблемой сокращения потребления природного газа. Промышленные испытания в этом направлении уже проводились в ряде стран.
Наилучшие показатели получаются при вдувании продуктов паро-кислородной конверсии углей, полученных в плотном или кипящем слое. Отмечается, что при газификации углей удается одновременно перевезти в шлак до 90 % и более серы, содержащейся в топливе, что делает такой процесс металлургически ценным и экологически весьма чистым. Во многих работах подчеркивается эффективность повышения температуры горячих восстановительных газов до 1500°С и даже выше. Повышенная температура вдуваемых газов позволяет не только уменьшить расход кокса, но и приводит к некоторому снижению (до 5 %) энергоемкости чугуна.
Как уже отмечалось, применение кислорода и вдуваемых восстановительных газов взаимосвязано. Естественно, максимальных результатов при замене кокса другим топливом можно ожидать при использовании в качестве окислителя одного технического кислорода. С переходом от холодных восстановителей к горячим восстановительным газам удельный расход газов на единицу кислорода в соответствии с тепловым балансом горновых газов также должен быть увеличен. Из оценочных расчетов следует, что все это вместе может привести к снижению расхода кокса в доменных печах до 150 — 200 кг у. т./т и к увеличению их производительности. Видимо, дальнейшее снижение расхода кокса невозможно из-за уменьшения дренажного действия кокса 'в доменной шихте, что приведет к недопустимому снижению ее газопроницаемости. Представляют интерес комбинированные схемы использования энергии колошникового газа. В целом энергия колошникового газа в печах с удельным расходом кокса около 500 кг т. т./т составляет около 260 — 280 кг у. т./т. Из них около 85 % приходится на химическую энергию, 10 % — физическое тепло, 5 % — потенциальную энергию давления газа. Одна из возможных схем комбинированного использования колошникового газа показана на рис. 8.3. Характерная особенность приведенной схемы: сжигание колошникового газа в регенеративном воздухонагревателе при высоком давлении, использование для привода турбокомпрессора и электрогенератора газовой турбины, восстановление колошникового газа в электрогазогенераторе с применением каменного угля. Использование электроэнергии для восстановительного подогрева колошникового газа позволяет поднять его температуру до 1500oС и полностью отказаться от применения природного газа, заменив его недефицитным каменным углем.
Рис. 8.3. Схема установки комбинированного использования энергии колошникового газа:
1 — доменная печь;
2 - аппарат для сухой очистки газа;
3 - электрогазогенератор;
4 - газовая турбина;
5 - турбокомпрессор;
6 - электрогенератор;
7 - рекуперативный воздухонагреватель;
8 - регенеративный воздухонагреватель;
9 - утилизатор низкопотенциального тепла;
10 - дымовая труба;
К -уголь;.
В – воздух.
Высокое давление продуктов сгорания колошникового газа дает возможность сконструировать воздухонагреватель доменного дутья в 3 — 5 раз компактнее, чем в случае его работы в обычном режиме, и снизить образование N0x при горении. Как и в большинстве случаев применения. комбинированных процессов, основным недостатком представленной схемы являются усложнение энергоиспользования ВЭР в цехе производства основной продукции и многоступенчатость энергоиспользования колошникового газа. Основное достоинство рассматриваемого комбинированного процесса — почти двукратное повышение теплового и эксергетического коэффициентов безотходности доменного производства. В целом же по заводу комбинированное использование колошникового газа приводит к перераспределению топливного баланса, почти не сказываясь на общем потреблении топлива.
Предварительное восстановление железной руды является также одним из эффективных способов уменьшения расхода кокса. Так, по данным ВНИИМТа, применение в доменной плавке 40 % окатышей с металлизацией 40 % сокращает расход кокса на 13 — 15 %, с металлизацией 80 % — на 25 — 30 %. При этом энергоемкость чугуна снижается не более чем на 1,0 — 1,5 %, приведенные затраты уменьшаются на 2 — 2,5 руб/т.
Применение металлизованных окатышей (общая степень металлизации 35 — 40 %) позволяет значительно снизить расход природного газа и кислорода или вовсе отказаться от их применения в доменном процессе. Высвобожденные кислород и природный газ более экономично могут быть использованы для получения восстановительного газа и металлизации окатышей. Щелочные металлы и цинк, присутствующие во многих железорудных минералах и окускованном сырье (особенно при добавке в него доменных и сталеплавильных шламов) и накапливающиеся в объеме доменной печи, приводят к ухудшению показателей доменной плавки: снижению срока службы футеровки, расстройству хода печи и росту потребления кокса. Загрузка печи материалами низкой степени окисленности, металлизованными окатышами и скрапом способствует удалению щелочных металлов и цинка с колошниковыми газами.
Для оценки изменения расхода кокса от различных факторов пользуются следующими приближенными удельными значениями экономии кокса (если за базовый расход кокса принять 500 кг/т), кг/т:
Вдувание 1 м3 природного газа.................0,7 - 0,9.
Повышение температуры дутья на 100°С..........7,5-25.
Повышение содержания железа в шихте на 1 %......7,5-15.
Металлизация шихты на 10 %..................25-40.
Вывод из шихты:
1 кг цинка..............................15-30.
1 кг щелочных металлов....................5—10.
100 кг известняка.........................15—25.
Снижение содержания марганца в чугуне на 1 %.....10-15.
Усреднение железной руды до ± 0,3 %.............3-5.
Уменьшение содержания серы в коксе на 0,1 %......4 - 7,5.
Увеличение содержания серы в чугуне на 0,01 %.....5—25.
Уменьшение содержания кремния в чугуне на 1 %. ... 25-75.
Уменьшение содержания в коксе золы на 1 %.......5—7.
Библиографический список