Для черной металлургии Украины последствия подорожания природного газа (ПГ) представляются крайне неблагоприятными. Только доменные цехи ежегодно расходуют более 2,5 млрд. м3 ПГ: подорожание его на 50$ США определяет повышение себестоимости 1 т чугуна на 25-30 грн. Где же выход? Насколько неожиданным является этот кризис?
Отвечая на эти вопросы, лучше всего начинать от "печки", т.е. от 1957 г., когда впервые в мире в промышленном масштабе на металлургическом заводе им. Петровского (г. Днепропетровск) ПГ был успешно применен для выплавки чугуна. К 1965 г. ПГ был внедрен практически на всех доменных печах СССР, обеспечив снижение расхода кокса на 10-20%, прирост производительности, годовой экономический эффект в размере 160 млн. рублей. Вслед за СССР, данная технология столь же эффективно была опробована во многих странах мира.
Так была открыта первая страница в развитии качественно новой и весьма перспективной технологии применения дополнительных видов топлива или комбинированного дутья для выплавки чугуна в доменных печах.
1. Эффективность использования в доменной плавке природного газа и пылеугольного топлива
Расчеты показали, что из доступных натуральных дополнительных видов топлива ПГ - наименее эффективен. Значительные снижение температуры горения и повышение выхода горновых газов при применении ПГ, по сравнению с пылеугольным топливом (ПУТ), требуют в 2-3 раза больших компенсирующих изменений для сохранения базового (оптимального) режима: повышения температуры дутья или обогащения его кислородом, ресурсы которых, как правило, ограничены.
Следовательно, при прочих равных условиях в горн доменной печи можно вдувать в 2-3 раза больше ПУТ и получить при этом соответственно большее снижение расхода кокса и экономический эффект. Меньшие технологический и экономический эффекты от использования ПГ в определенной мере компенсировались простотой конструкций и дешевизной эксплуатации, что и способствовало его быстрому внедрению. Непреодолимым препятствием, однако, для массового промышленного внедрения ПГ в доменном производстве стал вопрос о наличии его ресурсов. Известно, что из 100% имеющихся в земной коре запасов минеральных топлив свыше 92% приходится на твёрдое топливо (угли), и только 8% - на жидкое и газообразное (нефть и ПГ). В связи с этим промышленное внедрение плавка с использованием ПГ получила в ограниченном числе стран: Россия, Украина, США, Канада.
В связи с этим уже в 60-х годах прошлого столетия начата работа по использованию в качестве дополнительных топлив для выплавки чугуна мазута, смол, коксового газа и ПУТ с целью как замены ПГ, так и дальнейшего повышения эффективности доменной технологии. По существу, к 70-80 гг. прошлого столетия для широкого и массового промышленного внедрения осталось лишь ПУТ, ресурсы и эффективность которого качественно превосходили все другие виды дополнительных топлив. В 1963 г. в США на металлургическом заводе в Эшленде начаты фундаментальные исследования по применению ПУТ в доменной плавке. Аналогичные работы примерно в то же время начаты в Китае. В Украине по инициативе директора ДонНИИчермета, доктора техн. наук Н.И.Красавцева данная работа начата на Донецком металлургическом заводе (ДМЗ) в том же 1963 г. На ДМЗ доменная технология с вдуванием ПУТ прошла путь опытной и опытно-промышленной эксплуатации (1968-1978 гг.), а с 1980 г., на базе первой в Европе промышленной установки, освоена технология совместного вдувания в горн доменных печей ПГ и ПУТ на дутье, обогащенном кислородом (в дальнейшем - технология ПГ+ПУТ+02), позволившая удвоить эффективность использования комбинированного дутья по сравнению с вдуванием только ПГ+O2.
На сегодняшний день разработаны надежное и автоматизированное взрыво-, пожаро- и экологически безопасное оборудование 4-5 поколения, полностью отвечающее требованиям доменной технологии, а также теория полной и комплексной компенсации, на основе которой возможно создание технологии, обеспечивающей замену ПУТ до 50% и больше кокса. Двадцатипятилетняя отечественная и зарубежная практика целиком подтверждает известные теоретические посылки об эффективности ПУТ. Технологии ПГ+ПУТ+O2 и ПУТ+O2, обеспечивают в 2,2-3,3 раза большую, чем при вдувании ПГ, экономию кокса, предопределяя возможность снижения его расхода до 250-300 кг/т чугуна.
Преимущества применения ПУТ в металлургии чугуна подтверждаются также следующими объективными данными:
- за последние 20 лет вдувание ПУТ освоено в доменных цехах более чем в 25 развитых странах мира; с его использованием в 2000 г. выплавлено около половины годовой выплавки чугуна (около 300 млн. т);
- на протяжении последних 20 лет практически все новые или реконструируемые доменные печи за рубежом строили в комплексе с современными пыле-угольными установками: Испания, Бразилия, Ю. Корея, Турция и др.;
Известно, что Германия за последние 40 лет сократила объём производства кокса более чем в 3 раза при повышении объема производства металла, причем именно улучшение охраны окружающей среды было основной мотивацией данной программы.
С 90-х г. прошлого века США, имеющие большие запасы своего ПГ, интенсивно строят пылеугольные установки, осваивая технологию совместного вдувания в горн ПГ+ПУТ+O2: в 2000 г. с использованием этой технологии работали уже более 20 современных доменных печей.
Таким образом, по состоянию на начало XXI века Украина оказалась единственной страной в мире, использующей для вдувания в доменные печи импортный ПГ, цены на который непрерывно растут и, видимо, скоро достигнут мирового уровня.
Расход кокса на 1 т чугуна является важнейшим и определяющим показателем эффективности доменной технологии, а доля стоимости кокса и ПГ в себестоимости чугуна составляет 40-50%. Цены на кокс на мировом рынке уже достигают 300-400$ США за 1 т, и будут повышаться и дальше. В связи с этим очевидно, что несмотря на бесспорные успехи Украины в 60-70 гг. прошлого века в разработке к освоении технологии с использованием комбинированного дутья высоких параметров, в настоящее время наши доменные цехи в массовом промышленном масштабе используют наименее эффективный вариант данной технологии (вдувание ПГ+O2), обеспечивающий замену лишь 12-17% кокса. На сегодняшний день в совершенствовании данной технологии мы отстаем от развитых капиталистических стран на 20-25 лет.
Принимая во внимание то, что на ближайшие 20-30 лет развитие и повышение эффективности пылеугольной технологии является основой технического прогресса металлургии чугуна, указанное выше отставание Украины от современного мирового уровня доменной технологии, проблемы с импортом, дефицитностью и дороговизной ПГ, коксующихся углей и кокса, очевидно, что решение вопроса о массовом промышленном внедрении пылеугольной технологии с целью замены им части или всего ПГ и значительного снижения расхода кокса, не терпит отсрочки, становится в ряд важнейших и определяющих государственных задач. Тем более, что сейчас для решения данной задачи, в отличие от 60-70-х годов прошлого столетия, имеются все необходимые предпосылки.
2. Оборудование
В настоящее время закончена работа по созданию надежного и автоматизированного оборудования для приготовления и вдувания ПУТ. В 1989 г. НПО "Укрэнергочермет" (Харьков) создало для фирмы "Аrselor Sollak Lorraine" (Франция) узел приготовления ПУТ, успешно работающий по настоящее время. Доменные печи этой фирмы, рабочим объемом 1335 и 1425 м3, освоили технологию с вдуванием на 1 т чугуна более 180 кг ПУТ, обеспечив снижение расхода кокса до 290...300 кг при уровне производительности 2,3...2,5 т/(м3·сутки). Для ДМЗ в 1976 г. Гипросталь и НПО "Укрэнергочермет" спроектировали и освоили полный пылеутольный комплекс. Данный комплекс был модернизирован по проекту Гипростали в 2002 г. в соответствии с современными нормами и требованиями. Пылеугольная установка успешно работает с 1980 г. по настоящее время. Распределительно-дозировочное отделение (РДО) вдувания ПУТ в доменные печи на ДМЗ, также как и на других доменных печах в мире, (поставка фирм "Kuttner", Германия и др.) обеспечивает непрерывную индивидуальную и регулируемую по фурмам и во времени подачу ПУТ (европейская схема). Получили широкое распространение также РДО с делителем потока, расположенным на отметке колошника печи, из которого осуществляется индивидуальная разводка ПУТ по фурмам(американская схема). Оба типа РДО успешно работают более чем на 120 доменных печах в мире, обеспечивая неравномерность подачи ПУТ по фурмам в пределах ±5-10%. Выбор того или другого типа узла вдувания определяется конкретными условиями доменного цеха, в котором планируется строительство пылеугольного комплекса.
Разработанное оборудование для производстваvи вдувания ПУТ 4-5 поколений полностью отвечает требованиям технологии и эксплуатации: тонина помола, распределение ПУТ во времени и по фурмам, условия сгорания, автоматизация и механизация, взрывоиожаробезопасность, выбросы вредных веществ в атмосферу и др. Предпроектная проработка показывает, что стоимость пылеугольного комплекса, мощностью по ПУТ 1 млн. т/год примерно равна 50 млн. €. Следовательно, первоочередное строительство такого оборудования в наиболее крупных доменных цехах Украины, выплавляющих примерно 22 млн. т или 75% годового объёма производства чугуна, потребует 220 млн. € (1,3 млрд. грн.).
3. Технология
В ряде стран мира освоена технология с вдуванием на 1 т чугуна 150-250 кг ПУТ (второй этап пылеугольной технологии), обеспечившей снижение расхода кокса до 249-314 кг, прихода серы с шихтой до 2-4 кг, повышение доли замены кокса ПУТ до 40-50%, что существенно снижает себестоимость чугуна, значительно повышает ренnабельность всего металлургического цикла. Однако, как показывают расчеты, компенсация столь значительного снижеииадоли кокса в шихте, обеспечение полного сгорания ПУТ в фурменных зонах, определяют необходимость реализации таких дорогостоящих мероприятий как:
- повышение температуры дутья до 1100-1300 °С и содержания в нём кислорода до 25-33%;
- обогащение железорудной шихты и снижение уровня основности шлака (CaO/SiO2) до 1-1,15 с целью оптимизации физических свойств шлаков н снижения его выхода до 200-300 кг/т чугуна;
- повышение горячей прочности кокса (CSR) до 60-70% и др.
Ни в одном доменном цехе Украины в полном объёме данные мероприятия не реализованы, причем, меньше всего мировому стандарту отвечают качество железорудного сырья и кокса - определяющие компоненты доменной технологии. Однако, опыт ОАО "ДМЗ" показывает, что в реальных сложившихся технологических условиях работы доменного цеха в Украине возможно и эффективное вдувание в горн до 120-140 кг ПУТ на 1 т чугуна (первый этап освоения пылеугольной технологии), что в комплексе с компенсирующими мероприятиями определило снижение расхода кокса на 185 кг (с 566 до 381 кг/т чугуна), ПГ - на 34 м3/т чугуна (с 99 до 65 м3/т чугуна), при этом качество чугуна и производительность печи не ухудшились. Компенсирующие мероприятия, которые обеспечили получение данных результатов, не требуют значительных затрат и времени, поскольку это:
- оптимизация уровня теоретической температуры горения и интенсивности плавки за счет соответствующего изменения расходов ПГ, ПУТ и O2;
- вывод из шихты сырого известняка;
- подбор и оптимизация качества угля для приготовления ПУТ;
- мероприятия по повышению стабильности оптимального технологического режима: измерение температуры продуктов плавки на выпуске, температуры по радиусу колошника, влажности кокса и др.
Указанные выше и другие компенсирующие мероприятия имеются в каждом доменном цехе, поэтому реализация первого этапа пылеугольной технологии (до 120-140 кг ПУТ на 1 т чугуна) принципиально возможна уже через 3-6 месяцев после ввода в эксплуатацию пылеугольной установки. Для этого, необходимо предварительно провести в цехе целевую и конкретную разработку, испытание и подготовку к реализации соответствующих компенсирующих мероприятий и технологии доменной плавки в целом применительно к конкретным условиям данногс металлургического предприятия.
Что же касается второго этапа пылеугольной технологии (150-250 кг ПУТ на 1 т чугуна), то его реализация в доменных цехах Украины также возможна и эффективна, однако для решения такой задачи необходимы значительные средства сопоставимые со стоимостью и сроками строительства пылеугольных комплексов. Эту ещё более перспективную задачу целесообразно решать после внедрения первого этапа пылеугольной технологии.
4. Ресурсы углей
Массовое промышленное внедрение пылеугольной технологии в Украине потребует до 4,5-5 млн. т угля. Тем не менее, внедрение пылеугольной технологии не должно обострить дефицит углей в стране. Известно, что на производство 1 т кокса расходуется примерно 1,3 т угольной шихты, в том числе 20-40% коксующихся углей.
Производство 1 т ПУТ требует примерно 1,1 т угля. Коэффициент замены кокса ПУТ, зольностью 5-10%, составляет 0,8-1,1 кг/кг. Следовательно, освоение в Украине первого этапа пылеугольной технологии (120-140 кг ПУТ на 1 т чугуна) для производства 22 млн, т чугуна потребует около 2,6-3,1 млн. т ПУТ или примерно 2,9-3,4 млн. т неспекающихся углей (угли марки "Т", "А" или "Г"), но одновременно предопределит необходимость сокращения объёма производства кокса на 2,4-2,8 млн. т, что высвободит 3.1-3,6 млн. т коксошихты. Очевидно, значительная часть её - 60-70% - состоящая из слабоспекающихся углей, может быть использована на производство ПУТ, а спекающиеся угли должны быть переданы на производство кокса с целью повышения его качества.
Последнее мероприятие также высвободит соответствующую часть слабококсующихся углей из коксовой шихты производимого кокса, которая также может быть использовала для производства ПУТ. Таким образом, при реализации в Украине первого этапа пыпеутльной технологии может быть высвобождено около 3.1-3,6 млн. т коксошихты из слабоспекающихся марок углей при потребности для производства ПУТ 2.9-3,4 млн. т. Возникающий при осуществлении данного варианта дефицит коксового газа, во-первых, может быть снижен за счет соответственного сокращения производства кокса, во-вторых, может быть "закрыт" ПГ, сэкономленным при освоении технологии с вдуванием ПУТ (0,4-0,6 м3 на 1 кг ПУТ пли 0,9-1,3 млрд. м3/год). Данный вариант внедрения пылеугольной технологии реализуется в течение последних 20 лет в США, Германии, Нидерландах и других странах, что позволило вывести из эксплуатации наиболее изношенные и приостановить намеченное строительство ряда коксохимических батарей.
Это позволило значительно сократить капитальные затраты. Показано, что капитальные затраты на строительство коксохимических батарей в три раза выше, чем на строительство пылеугольной установки равной мощности. Необходимо отметить возможность использования для приготовления ПУТ высококачественных некоксующихся газовых углей, запасы которых в Украине значительны, не пользующихся, как правило, спросом таких массовых потребителей как металлургия, коксохимия и энергетика. В перспективе может оказаться выгодной замена ввозимых из России дорогих и коксующихся углей, необходимых для производства кокса, более дешевыми и иизкосернистыми неспекающимися углями марок "Т" для производства ПУТ.
5. Экономическая эффективность
Качественно оценить эффективность пылеугольной технологии можно исходя, прежде всего, из реального многолетнего промышленного опыта ОАО "ДМЗ" и зарубежных стран (опыт 1985-2004 гг.). Исходя из этого принимаем в целом для выплавляемого чугуна объёмом около 22 млн. т в год:
- расход ПУТ 120 кг/т чугуна (уголь марки "Т", зольностью 5-8 %);
- коэффициент замены кокса ПУТ 0,8 кг/кг;
-стоимость ПГ 600 грн за 1000 м3;
Исходя из указанных цифр, реализация пылеугольной технологии в масштабах отрасли черной металлургии Украины позволит снизить потребность кокса на 2,4 млн.т, ПГ около 1,06 млрд. м3, себестоимость чугуна примерно на 1,4 млрд. грн. Окупаемость внедрения первого этапа пылеугольной технологии составит менее 2 лет. Дальнейшее неизбежное повышение цен на энергоносители, в первую очередь на ПГ, будут соответственно повышать эффективность использования ПУТ.
Попутно решается задача как значительного сниження или полного исключения использования в доменном производстве ПГ, но и проблема охраны окружающей среды: сокращение годового объёма производства кокса на 2,4 млн. т обеспечит снижение выброса в окружающую среду вредных веществ на 14,8 тыс. т, в т. ч. 4,8 тыс. т сернистых соединений, 5,5 тыс. т аммиака и фенола, 1,5 тыс. т окислов азота и т.д.
Эффективность использования ПУТ, приготовленного из углей марок "Г", существенно меньшая по экономии кокса и получаемому эффекту, однако вдувание 150...180 кг/т чугуна такого топлива обеспечит полный вывод из состава дутья ПГ, при сохранении или снижении базового расхода кокса.
Выводы