Важнейшая задача черной металлургии - снижение энергоемкости металлопродукции не может быть решена без существенного сокращения расхода кокса на выплавку чугуна.

Вдувание пылеугольного топлива в доменную печь (ДП) является эффективной технологией с точки зрения снижения себестоимости чугуна, повышения производительности печи и защиты окружающей среды.

Первый в Европе промышленный комплекс по приготовлению и вдуванию пылеугольного топлива (ПУТ) в доменные печи был построен в 1980 году на Донецком металлургическом заводе (ДМЗ) [1]. После 20 летней эксплуатации он был реконструирован и введен в работу 22 августа 2002 года.

Начиная с 80-х годов в странах Европы и Азии основным видом вдуваемого топлива становится уголь. В настоящее время более чем 100 пылеугольных комплексов работают в странах Европейского Союза, Китае, Японии, Корее, США и других странах [2,3]. Совершенствование техники и технологии вдувания пылеугольного топлива привело к достижению стабильных расходов его на уровне 150-200 кг/т чугуна.

Эффективное использование дорогостоящих комплексов пылевдувания достигается лишь при больших расходах вдуваемого угля (свыше 150 кг/т чугуна).

Главными причинами, препятствующими увеличению количества вдуваемого в горн доменных печей ПУТ, являются обеспечение его полного сгорания в фурменной зоне и равномерного распределения по окружности печи.

Промышленный опыт свидетельствует о существенной интенсификации горения угольной пыли в окислительной зоне ДП при повышении концентрации кислорода в дутье [1-4]. Однако существующие способы подачи кислорода не обеспечивают максимальную эффективность его использования ввиду сложности обеспечения полного смешения угольных частиц с дутьем. Из-за неполного смешения ПУТ с дутьем предлагается увеличить концентрацию кислорода вблизи движущейся угольной струи. Несмотря на то, что некоторые аспекты этой идеи опробованы на практике на доменных печах фирм Тиссен Стил (Германия) и Бритиш Стил (Великобритания) при использовании коаксиальных трубок их подход не обеспечивает оптимального использования кислорода.

Это связано с тем, что горение частиц угольной пыли протекает в четыре стадии: прогрев угольных частиц до воспламенения летучих веществ, воспламенение летучих, воспламенение коксового остатка и выгорания коксового остатка [4]. Повышение концентрации кислорода сказывается лишь на время протекания последней стадии. Поэтому предварительное смешение ПУТ с кислородом нецелесообразно: попадая в фурму или сопло, значительная часть ПУТ благодаря высокой локальной концентрации кислорода вокруг угольных частиц сгорает до их выхода в окислительную зону. Горение же ПУТ в фурменном приборе нежелательно из-за увеличения температуры газов и плавления золы, отклонения струи продуктов сгорания и несгоревших частиц вверх по периферии печи. Кроме того, вначале, как обычно, сгорают мелкие частицы и, следовательно, их горение происходит в более благоприятных условиях. Выгорание крупных частиц, которое происходит позднее, протекает уже в области пониженной концентрации кислорода.

Следовательно, повышать концентрацию окислителя наиболее эффективно после прогрева и выхода летучих веществ и прогрева коксового остатка. Расчеты показывают, что это время составляет 0,005-0,020с в зависимости от характеристик ПУТ и температурно-дутьевых условий плавки.

Экспериментальная проверка полученных теоретических результатов осуществлялась на лабораторной установке, созданной на принципах горячего физического моделирования, и позволяющей имитировать процесс сжигания угольной пыли в условиях фурменной зоны доменной печи [4]. Было определено, что повышение содержания кислорода в дутье на 10% (с 21 до 31%) повысило степень сгорания угольной пыли на 25 %

Результаты расчетов времени сгорания ПУТ при индивидуальной подаче технологического кислорода в фурмы доменной печи ДМЗ показали, что при вводе кислорода в фурму рост его концентрации в дутье от 21 до 25 % обеспечивает увеличение локальной концентрации в области движения ПУТ в 2 раза, что уменьшает время сгорания почти на 40 %.

Для обеспечения своевременного попадания кислорода в поток предварительно прогретого пылеугольного топлива были выполнены расчеты траектории движения струй кислорода и угольной пыли в полости фурмы и разработана конструкция фурменного прибора с одновременным вдуванием ПУТ, ПГ и технологического кислорода [6].

Для проведения исследований на ОАО "ДМЗ" была создана опытно-промышленная установка [4,5]. Подача кислорода в фурму осуществлялась из коллектора кислорода через кислородопровод, оснащенный необходимой арматурой и приборами.

Доменная печь объемом 1033 м3 в период исследований выплавляла передельный чугун на железорудной шихте, состоящей из 94 % агломерата ЮГОК и окатышей ЦГОК в соотношении 1,5:1 с небольшими добавками железной и марганцевой руд. Средний расход кокса составлял 487 кг/т чугуна, пылеугольного топлива 76 кг/т, природного газа 84 м3/т, кислорода 75 м3/т. Печь оборудована системой контроля распределения дутья и ПУТ по фурмам. Давление кислорода в кислородопроводе 750-1000 кПа, расход кислорода на фурму 320-350 м3/ч.

Эффективность предложенного способа подачи кислорода оценивали с помощью количественного метода определения полноты сгорания ПУТ в фурменных зонах, который заключался в зондировании горна с отбором проб материалов из различных точек по длине фурменного прибора и окислительной зоны водоохлаждаемой трубой.

Исследования проводили на обогащенном кислородом до 25 % и атмосферном дутье (прекращалась подача кислорода на всас воздуходувной машины). Количество подаваемого через фурму кислорода соответствовало его расходу на обогащение дутья в расчете на печь. Во всех опытах расход ПУТ составлял 8 т/ч. Каждый опыт включал два эксперимента, выполняемых последовательно с интервалом в несколько минут: зондирование горна при подаче в фурму кислорода и при его отключении.

Результаты минералогического анализа проб отобранных из горна материалов, показали, что как при подаче кислорода в фурму, так и без него в точке подвода кислорода преобладают мелкие частицы угольной пыли остроугольной формы размером 0,004-0,008 мм, реже до 0,02 мм. На срезе фурмы, кроме, неизменных частиц ПУТ, имеются остатки его несгоревших частиц в виде тонких ободков. На расстоянии 0,25 мм от носка фурмы неизменные частицы ПУТ перестают существовать. Остаются лишь остатки от частиц пыли в виде ободков с размером 0,004-0,012 мм.

Сопоставление соответствующих пар опытов показало, что содержание частиц ПУТ на срезе фурмы при индивидуальной подаче в нее кислорода в среднем на 15-30 % меньше, чем при традиционном способе. Полученные результаты свидетельствуют об интенсификации сжигании пылеугольного топлива при индивидуальном подводе кислорода.

Таким образом, теоретические и экспериментальные исследования показали, что в условиях доменной плавки полная газификация больших количеств вдуваемого ПУТ (свыше 150 кг/т чугуна) может быть обеспечена повышением локальной концентрации кислорода в районе выгорания коксового остатка угольных частиц. Промышленные исследования на доменной печи ОАО "ДМЗ" с отбором проб из горна подтвердили целесообразность данного способа интенсификации сжигания ПУТ по сравнению с традиционным обогащением дутья кислородом.

Список литературы:

1. Ярошевский С.Л. Выплавка чугуна с применением пылеугольного топлива. – М.: Металлургия, 1988. – 176 с.

2. Состояние и перспективы технологии доменной плавки с вдуванием пылеугольного топлива/ А.И.Бабич, С.Л.Ярошевский, В.В.Кочура, В.П.Терещенко// Металл и литье Украины. – 1995. - №11-12. - С.12-18.

3. Производство первичного металла в странах Западной Европы/ А.И.Бабич, В.В.Кочура, А.Формосо, Л.Гарсия// Металл и литье Украины. – 1997. -№5. - С.32-37.

4. Бабич А.И., Ярошевский С.Л., Терещенко В.П. Интенсификация использования пылеугольного топлива в доменной плавке. – К.: Техника, 1993. – 200 с.

5. Intensifying pulverised coal combustion in blast furnace/ V.V. Kochura, A.I. Babich, S.L.Yaroshevskiy// International blast furnace lower zone symposium. – Wollongong, Australia. - 2002. - P.35-47.