В последние 20 лет в мире непрерывно расширяется внедрение технологии доменной плавки с заменой части кокса пылеугольным топливом (ПУТ). В XXI веке ПУТ используют уже более 25, как правило, наиболее развитых стран мира, с его применением ежегодно выплавляется около 300 млн. т. чугуна, расход ПУТ на 1 т чугуна достиг 100-260 кг, кокса - 250-350 кг, доля замены кокса ПУТ-30-50%. В 2002 г. одна из первых в мире промышленных установок по приготовлению и вдуванию ПУТ в горн доменных печей на ОАО "ДМЗ" (1980 г.) была реконструирована, что по определяющим эксплуатационным показателям дает основания отнести ее к установкам IV поколения, в настоящее время эксплуатирующимся в мире в массовом масштабе. На основе данного оборудования в 2002-2005 гг. идет освоение высокоэффективной технологии с вдуванием в горн ПУТ, природного газа (ПГ) и обогащенного кислородом горячего дутья (технология "ПУТ+ПГ+O2").
Горение ПУТ и замена им кокса неизбежно сопровождаются ухудшением определяющих параметров доменной технологии: снижением доли кокса и порозности в шихте, снижением теоретической температур в фурменной зоне и прочее. Поэтому без применения специальных компенсирующих мер оптимальный расход ПУТ обычно не превышал 30-50 кг/т чугуна. Теоретические исследования, анализ результатов опытных и промышленных плавок, проведенных в Украине и за рубежом, показывают, что при величине суммарного коэффициента замены ∑KЗ>1 и сохранении на базовом уровне или увеличении теоретической температуры горения повышение расхода ПУТ не вызывает снижения эффективности его применения и ухудшения базовых значений основных ТЭП доменной плавки.
ОАО "Донецкий металлургический завод" одним из первых в мировой практике на основе режима полной и комплексной компенсации освоил в 1986-1991 гг. технологию с вдуванием в горн ПУТ+ПГ+O2, обеспечившую снижение расхода кокса ниже 400 кг/т чугуна и замену дополнительными топливами 30-35% кокса.
Доменная печь № 2 полезным объемом 1033 м3, введенная в эксплуатацию после капитального ремонта I разряда в апреле 2002 г., обеспечена нагревом дутья до 1150 °С при обогащении кислородом (26%), подводами ПГ и ПУТ. В качестве основных шихтовых компонентов использовали окатыши ОАО "ЛебГОК", агломерат ОАО "ЮГОК" и кокс Донецкого участка Рутченковского КХЗ. По мере освоения узла приготовления ПУТ и улучшения угольной базы, улучшился химический состав ПУТ, а средний медианный размер частиц ПУТ изменялся в пределах от 10 до 40 мкм.
Промышленная эксплуатация пылеугольного комплекса на ЗАО "Донецксталь" - металлургический завод" начата в сентябре 2002 г. В 2003 и 2004 г. для приготовления ПУТ использовали около 150 тыс. т угля марки "Т" донецкой шахты "Рассвет". В ходе освоения технологии с вдуванием ПУТ в качестве основных факторов, способствующих поддержанию режима полной и комплексной компенсации, использовали:
- повышение содержания кислорода в дутье от 22,75 до 25,73%;
- снижение расхода ПГ от 99 до 50 м3/т чугуна;
- переход на наиболее эффективную систему загрузки шихты: АОКК4 1,5;
- увеличение диаметра отверстий на ситах при отсеве мелочи из кокса до 28 мм;
- обеспечение подачи ПУТ в фурмы с неравномерностью поступления ± (5-10);
- снижение основности шлака (CaO/Si02) от 1,29 до 1,20.
Освоение технологии с вдуванием на 1 т чугуна 92-131 кг ПУТ сопровождалось снижением расхода кокса с 566 до 470-392 кг/т чугуна (на 96-174 кг/т, 17-30%) при одновременном снижении расхода ПГ с 99 до 78-50 м3/т чугуна (на 21-49 м3/т чугуна) и повышении расхода кислорода до 81 м3/т чугуна. Cуммарная - за счет вдувания ПГ и ПУТ - экономия кокса составила = 230 кг/т чугуна (40%), что более чем вдвое превышает эффективность технологического режима с вдуванием в горн ПГ+О2. При этом производительность доменной печи возросла на 156-174 т/сутки. Для анализа и оптимизации технологического режима использовали разработанный и описанный ранее метод статистического исследования производственной информации.
Ранее, в 1990 г., было показано, что при работе доменной печи с вдуванием ПУТ и на агломерате, содержащем 20-25% мелочи -5 мм, имеющей вследствие этого крайне напряженную газодинамику, обогащение дутья кислородом и соответственное значительное снижение выхода горновых газов способствовали благоприятному перераспределению и стабилизации газового потока, улучшению схода шихты, что определило соответственное повышение степени использования тепловой и химической энергии газов, дополнительное снижение расхода кокса и существенное превышение величины фактического KЗ над расчетным. Отмеченная особенность подтвердилась и в 2003-2004 гг.: освоение дутья, обогащенного кислородом, в сочетании с повышением расхода ПУТ сопровождалось, как и в 1990 г., получением высокого, превышающего расчетный, KЗ, повышением степени использования восстановительной способности газа с 37,3 до 41,1-46,5%.
В одном из периодов основным компенсирующим фактором было снижение расхода ПГ: исследованием показано, что оптимальная величина коэффициента компенсации ПУТ-ПГ для данных технологических условий равна 0,5-0,6 м3/кг ПУТ. Обогащение дутья кислородом, определило значительное снижение выхода горновых газов на 1 т чугуна и повышение уровня оптимальной теоретической температуры горения до 2100-2150 °С. В то же время указанные изменения и снижение расхода кокса закономерно определили снижение величины оптимальной интенсивности плавки по углероду с 1100-1150 до 1000-1050 кг/(3·сутки), что не помешало приросту производительности печи на 65 т/смену (9,3%).
Вдувание в горн 103 кг/т чугуна ПУТ в сочетании с описанными выше компенсирующими мероприятиями определило снижение расхода кокса с 534 до 407 кг/т чугуна (на 127 кг/т чугуна), в т.ч. соответственно за счет ПУТ - 109 кг. То есть, KЗ составил более 1 кг/кг, теоретическая температура горения возросла с 1967 до 2035 °С, что свидетельствует о том, что освоение ПУТ-технологии осуществлялось в наиболее благоприятном режиме сверхкомпенсации. Об этом свидетельствуют уровень производительности печи, превышающий приведенный к равным условиям расчетный, значительное повышения степени использования восстановительной и тепловой работы горновых газов: КПД тепла в доменной печи возрос с 82,19 до 84,42%
Выводы
В режиме длительной промышленной эксплуатации разработаны и освоены комплекс оборудования для приготовления вдувания ПУТ в доменную печь и технология доменной плавки с вдуванием в горн ПУТ+ПГ+02, обеспечившая при вдувании в горн на 1 т чугуна 92-131 кг ПУТ дополнительное снижение расхода кокса на 96-174 кг/т чугуна (17-30%) и прирост производительности печи на 156-174 т/сутки (7,6-8,5%). Суммарная экономия кокса за счет вдувания ПУТ и ПГ составила 230 кг/т чугуна (40%), что более чем в двое превышает эффективность технологического режима с вдуванием в горн ПГ+O2