Выполненные аналитические исследования показали, что величина коэффициента замены кокса природным газом составляет при расходе природного газа (ПГ) 90-100 м3/т и теоретической температуре горения 2100-2200°С - около 1,0 кг/м3, а при расходе ПГ 180-200 м3/т и теоретической температуре горения 1900-2000°С - 0,3 кг/м3[2].
Указанные значения коэффициента замены кокса являются предельными и обеспечиваются при ровной работе доменной печи с оптимальным распределением газов по сечению и полном окислении углеводородов в фурменных очагах. В реальных условиях значения коэффициентов замены ниже предельных, что обусловлено отклонением газораспределения по сечению печи от оптимального и неполным окислением углеводородов в фурменных очагах.
Первостепенным условием эффективного использования ПГ является ритмичная работа доменных печей при минимальном количестве остановок и снижений давления. Обеспечение этого условия позволяет организовать стабильную работу газового потока в печи с получением устойчивого значения коэффициента замены кокса природным газом. При этом на печах с меньшим содержанием мелких фракций в шихте и большей прочностью сырья и кокса возможна большая загрузка периферийной зоны железорудными материалами, что обеспечивает более высокую степень использования восстановленных газов и больший коэффициент замены кокса природным газом [3].
Другим важнейшим условием эффективного использования ПГ является полнота превращения углеводородов в фурменных очагах доменной печи [2].
Существующие на предприятиях способы ввода природного газа в фурменный прибор при всем разнообразии конструкций принципиально не отличаются друг от друга и являются периферийными. Они неудовлетворительно решают эту задачу. При выходе из фурмы периферийные, наиболее холодные слои природного газа могут отделяться от потока окислителя раньше, чем прогреются до требуемой температуры. В результате этого часть газа подвергается пиролизу в околофурменном пространстве печи. Поскольку периферийный характер движения газа в фурме сохраняется при любых расходах, то очевидно, что, чем больше подается газа, тем толще непрогретый слой его у периферии выходящего из фурмы потока и тем вероятнее отслоение не окисленных углеводородов от потока с последующим их пиролизом, в результате которого в околофурменном пространстве выделяется сажа и поглощается тепло, а в окислительном очаге увеличиваются максимальные температуры. Радикальное решение проблемы предотвращения пиролиза углеводородов следует искать на основе использования осевого способа ввода струи природного газа в поток дутья.
Опыты вдувания коксового газа в доменную печь показали принципиальную возможность реализации этой технологии и ее эффективность. При этом выявлены основные технические проблемы, без решения которых невозможна постоянная работа доменных печей с вдуванием коксового газа. Содержащиеся в газе нафталин, смолы, оксиды азота и другие вещества способствуют образованию отложений в компрессорах и арматуре, препятствуя их непрерывной эксплуатации, а наличие сероводорода приводит к эрозии медных стенок воздушных фурм.
Коксовый газ содержит в 3,5 раза меньше углеводородов, чем природный газ (25-29 %), что способствует более полному протеканию процесса конверсии в фурменных очагах и позволяет увеличить общее количество подаваемых в печь восстановительных компонентов. При подаче 1,9-2,0 м3 коксового газа взамен каждого 1 м3 природного, когда количество восстановительных компонентов дутьевых добавок сохраняется на одном уровне, сокращается расход кислорода дутья на сжигание углеводородов и возрастает доля его, расходуемая на сжигание кокса. При этом повышается скорость опускания кокса в фурменные очаги и разрыхляется коксовая насадка в этой области – явление, аналогичное наблюдаемому при повышении концентрации кислорода в дутье. Разрыхление коксовой насадки вызывает лучшую работу газового потока и повышение интенсивности плавки [2].
Следует учесть также более высокую энергию (мощность) истечения струи коксового газа в поток дутья, обусловленную большим объемом коксового газа, чем природного. Это может дать дополнительный положительный эффект от замены природного газа коксовым газом.
Рассмотренные особенности замены природного газа коксовым положены в основу технологии, реализованной на МакМК. Особенностью этой технологии является активизация работы фурменных очагов, способствующая снижению перепада давления в печи и позволяющая стабилизировать ход процесса при повышении минутного расхода дутья. Для улучшения работы газового потока в этих условиях увеличили рудную нагрузку на периферии печи и уменьшили диаметр воздушных фурм со 180 до 160 мм для повышения мощности дутьевого потока.
При выборе дутьевых параметров на печах цеха учитывали увеличение порозности коксовой насадки при замене природного газа коксовым газом и увеличении концентрации кислорода в дутье, а также уменьшении порозности насадки при повышении температуры дутья. Поэтому на печах с высокой температурой дутья природный газ заменяли коксовым при меньшей концентрации кислорода, а на других печах применяли природный газ с максимальным обогащением дутья кислородом. Для выполнения сравнительного анализа показателей работы доменных печей при замене природного газа коксовым выделены характерные периоды доменных печей № 1 и № 5 со стабильными шихтовыми условиями и дутьевым режимом при минимальных простоях.
Состав компонентов железорудной шихты и характеристики кокса в рассматриваемые периоды существенно не изменялись. Фактическая экономия кокса на доменной печи № 1 при замене 100 м3/т природного газа 245 м3/т коксового газа составила 22 кг/т чугуна, а на доменной печи № 5 при замене 109 м3/т природного газа 243 м3/т коксового – 12 кг/т чугуна. Соответствующие величины прироста производительности печей достигли 2,8 и 9,9 %.
С учетом изменившихся факторов в результате замены природного газа на коксовый на доменной печи № 5 при соотношении замены 2,23 м3/м3 природного газа получена экономия 7,0 % кокса и прирост производительности 4,9 %, на печи № 1 при соотношении замены 2,45 м3/м3 эти показатели соответственно равны 6,1 % и 4,9 %.
Теоретические исследования, расчеты, промышленный опыт подавляющего большинства доменных цехов, показывают, что ПУТ должно иметь тонкий помол (ниже 0,1…0,07 мм); в противном случае неизбежно неполное сгорание его в фурменных зонах, что связано с выходом остатков угля за пределы фурменной зоны и, как следствие, ухудшением дренажной способности горна со всеми вытекающими из этого неблагоприятными последствиями: снижение коэффициента замены, прогары воздушных фурм, простои и т.д.
Требование низкой влажности ПУТ - до 0,5...1 % определяется необходимостью создания благоприятных условий для ее пневмотранспорта, а низкой сернистости (ниже сернистости кокса) требованием сохранения качества чугуна по содержанию серы. Технологически обосновано требование содержания золы в ПУТ на уровне или ниже зольности кокса. Применение низкозольного ПУТ обеспечивает повышение до уровня 0,8...1,2 кг/кг коэффициента замены (КЗ) и, таким образом, в большинстве случаев, оправдывает большую стоимость низкозольного ПУТ. Использование угля с минимальным содержанием летучих способствует увеличению доли нелетучего углерода в нем и повышению КЗ кокса.
В условиях работы доменных печей с применением природного газа эффективность применения ПУТ из газовых углей значительно ниже, чем из углей марки "Т" или "А".
В других технологических условиях, однако, применение углей с высоким содержанием летучих (20...35 %) может быть целесообразным, прежде всего, благодаря их низкой стоимости, наличию больших запасов и доступности, низкому содержанию серы. ПУТ из газовых углей при прочих равных условиях быстрее и полнее сгорает в фурменных зонах, повышает в горновых газах содержание водорода, что при его низком исходном содержании (1,5...3 %) способствует интенсификации процессов косвенного восстановления оксида железа, потребности тепла и расхода кокса.
Опыт Германии показывает целесообразность и эффективность применения для приготовления ПУТ смесей углей: так, фирма "Thyssen Stahl" использует для приготовления ПУТ смесь углей с низким и высоким содержанием летучих при соотношении 1:1. Это обеспечивает содержание летучих в ПУТ на уровне 20 %, существенное увеличение полноты сгорания смеси по сравнению с базовым (низкое содержание летучих) углем, повышение расхода ПУТ и эффективности его применения [2]. Вопрос о применении угольно-флюсовых и других топливных смесей исследован теоретически и в промышленных условиях: промышленный опыт (1978...1983 гг.) Донецкого завода (ДМЗ) показал, что добавки к углю в минимальных количествах (5-10 % от массы угля) негорючих компонентов целесообразны в тех случаях, когда это обеспечивает получение значительного дополнительного эффекта за счет интенсификации горения ПУТ, изменения режима шлакообразования, десульфурации чугуна и т.д. Введение в состав ПУТ негорючих компонентов сопровождается повышением потребности высокотемпературного тепла и, соответственно, расхода топлива. Определяющим вопросом технологии с применением ПУТ является обеспечение его полной газификации в пределах фурменной зоны.
Решение вопроса возможно за счет как технологических, так и конструктивных мероприятий. К технологическим относятся повышение температуры и содержание кислорода в зоне горения, снижение зольности, оптимизация фракционного состава ПУТ и содержания в нем летучих. К конструктивным решениям относятся совершенствование способов ввода в печь ПУТ, снижение неравномерности поступления ПУТ по времени и по фурмам и др.
В настоящее время в мире нашли широкое применение два способа ввода ПУТ в фурменную зону. Первый - фирмы "Агmko steel", США, на металлургическом заводе в Эшленде, освоившей в 60-х годах способ ввода ПУТ через штуцер, позволивший вывести пылеугольную форсунку через стенку сопла к оси поступающего в печь потока горячего дутья. Значительно позже в Германии данный способ был усложнен и усовершенствован:
Аналогичные конструкции разработаны и испытаны Институтом черной металлургии НАН Украины. Вторым способом подачи ПУТ является конструкция, разработанная ДМЗ: ПУТ поступает через водную полость воздушной фурмы в патрубок, установленный перпендикулярно потоку горячего дутья на расстоянии 330-350 мм от носка фурмы. Способ успешно опробован при расходе ПУТ 200 кг/т чугуна. Решающее влияние на скорость выгорания частиц ПУТ оказывает содержание кислорода в дутье. На ДМЗ показано, что повышение содержания еислорода в дутье на 3-5 % определяет сокращение протяженности зоны выгорания ПУТ от 0,5 до 0,25 м. Аналогичные выводы сделали при проведении исследований на доменных печах с использованием скоростной цветной киносъемки через фурменный глазок. На основе этого кафедрой "Металлургии чугуна" Донецкого политехнического института в 1987 г. разработан способ интенсификации горения ПУТ путем локального подвода кислорода в зону горения коксового остатка ПУТ, а на доменных печах ДМЗ проведены исследования, подтверждающие эффективность указанного метода интенсификации.
В 90-х годах принцип локального подвода кислорода в зону горения ПУТ освоен фирмой " Thyssen Stahl " (Германия): применение данного метода на современной мощной доменной печи (V = 4000 м3) позволило на 50 % повысить величину оптимального расхода ПУТ и соответственно - эффективность его применения. Расход кокса на 1 т чугуна был снижен до 300...330 кг/т.
Очевидно, что в способе ввода, обеспечивающем вдувание в горн 200...300 кг/т чугуна ПУТ и замену им 40...50 % кокса, безусловно, будет задействован технологический кислород. Конструктивное же оформление такого способа ввода, видимо, может существенно отличаться от существующих. Известно влияние на эффективность применения ПУТ и полноту его сгорания неравномерности его поступления по фурмам. Современный уровень техники позволил снизить неравномерность поступления ПУТ во времени и по фурмам до ±1...5 %, что вполне отвечает требованиям современной технологии и обеспечивает эффективное использование ПУТ до 200 кг/т чугуна.
Промышленные опыты на доменной печи №1 Донецкого метзавода показали большие возможности технологии доменной плавки с вдуванием ПУТ совместно с кислородом и природным газом, а также при полном выводе природного газа в неудовлетворительных шихтовых условиях.