Внедрение пылеуголной технологии (ПУТ-технологии) в комплексе с улучшением качества кокса и реализацией других компенсирующих мероприятий за последние 25 лет успешно осуществлено на 130 современных доменных печах, выплавляющих около 300 млн т чугуна в год: по состоянию на 2007 г. в мире освоена технология плавки с вдуванием на 1 т чугуна до 200-260 кг пылеугольного топлива (ПУТ), замены им до 40- 50% кокса и сокращение расхода последнего до 250—300 кг. И это только начало: об этом свидетельствуют как теоретические соображения, так и динамика расходов ПУТ и кокса в развитых странах в последние 10-15 лет.
К сожалению, доменное производство Украины и России качественно отстало от современного мирового технического уровня отрасли. Ведь не секрет, что, "зациклившись" еще в 1960-х годах на использовании кислорода и природного газа, наша доменная технология, несмотря на улучшение шихтовых и технологических условий, достижение в ряде случаев производительности 2,5 и даже 3 т/(м3·cут), вот уже более 20 лет не может сократить расход кокса 400 кг/т, что было достигнуто в металлургии 40 лет назад. Особенно неблагоприятная ситуация и Украине: в 2007 г. производительность печей составляла 1,5-2 т/м3 при расходе кокса 432-530 кг/т.
Теоретические соображения, промышленный отечественный и зарубежный опыт последних 20 лет показывают, что массовое внедрение пылеугольной технологии одновременно с улучшением качества кокса, шихтовых и технологических условий — единственный полностью подготовленный к внедрению вариант развития доменной технологии, который гарантирует значительное (20-40%) сокращение расхода кокса и природного газа или отказ от его применения, повышение эффективности как доменной технологии, так и черной металлургии в целом.
Основные положения теории полной и комплексной компенсации при замене части кокса пылеугольным топливом
Поскольку последствия вдувания дополнительных топлив можно рассчитать, то очевидно, что одновременно с увеличением расхода топлива необходимо применять так называемые компенсирующие мероприятия, которые должны нейтрализовать негативное влияние комбинированного дутья на технологический режим. Для определения и расчета нарушений технологии, вызываемых применением ПУТ, использовали уравнения и методики Л. Н. Рамма, Б. И. Китаева, В. И. Бабня и И. В. Ивановой.
Для оценки эффективности компенсирующих мероприятий введено понятие суммарного коэффициента замены кокса ∑КЗ дополнительным топливом. Расчеты и также опыт применения ПУТ на Донецком металлургическом заводе (ДМЗ) и за рубежом показывают, что при суммарном коэффициенте замены, равном 1 и более, по мере увеличения расхода пылеугольного топлива в технологическом режиме доменной плавки не происходит негативных изменений, которые бы ухудшали эффективность его использования. Следовательно, в этом случае обеспечена полная и комплексная компенсация негативного влияния дополнительных топлив на технологию плавки.
Одно из основных компенсирующих мероприятий — это снижение расхода природного газа, что следует из реакций горения в фурменной зоне углерода и метана:
Вследствие этого коэффициент ∑КЗ, обеспечивающий полную и комплексную компенсацию негативных явлений, для ПГ в 2-3 раза выше, чем для ПУТ. Следовательно, в реальных условиях доменных цехов Украины и России вдувание ПУТ может быть компенсирующим фактором, обеспечивающим путем соответственного сокращения расхода ПГ увеличение суммарного расхода дополнительного топлива (ПГ+ПУТ) и снижение уровня расхода кокса. Для оценки достоверности расчета технологических режимов предложены определяющие параметры, превышение величины которых невозможно в сложившихся условиях. Для оценки предельных значений этих параметров проанализировали среднегодовые данные по 57 доменным печам Европы за 2002 и 2004 гг., а также пo 116 печам СССР 1989 г. Показано, что при достигнутых уровнях качества кокса и железорудного сырья, параметрах температурно-дутьевого режима в диапазоне расхода кокса 250-600 кг/т чугуна предельное значение для скорости газа в распаре составляет 25 м/с, рудной нагрузки 6 т/т кокса, выхода горнового газа 4,7 тыс.м3/т кокса, количества мелочи фракции 5-0 мм в железорудной шихте 475 кг/т кокса, выхода шлака 1100 кг/т кокса.
Определяющие параметры разделяют области реально осуществимых н маловероятных режимов доменной плавки с вдуванием пылеугольного топлива. Расчеты технологических режимов с применением ПУТ выполнены по методике А. Н. Рамма.
Промышленный опыт использования ПУТ
Отечественный опыт. В Украине по инициативе директора ДонНИИчермета Н.И. Красавцева работа по вдуванию ПУТ начата в 1963 г. на Донецком металлургическом заводе (ДМЗ). Эта технология прошла этапы 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 ПГ и ПУТ на обогащенном кислородом дутье (технология ПГ+ПУТ+О2), обеспечившая увеличение доли замены кокса дополнительными топливами от 10-15 до 30-35%. Результаты, полученные в 2005-2006 гг. на печи № 2 ОАО ДМЗ при отключении подачи природного газа, сопоставимы с мировыми аналогами: за 9 месяцев 2006 г. средний расход кокса на весь выплавленный в этой печи чугун составил 403,6 кг/т чугуна при отсутствии подачи газа и вдувании ПУТ в количестве 167,5 кг/т. За тот же период в доменных цехах Украины расход кокса составил 496,5 кг/т и ПГ более 80 м3/т чугуна. И это при худших в ОАО ДМЗ шихтовых и технологических условиях. Таким образом, эффективность применения комбинированного дутья на ДМЗ по сравнению с остальными предприятиями Украины увеличена более чем вдвое. Освоение первого этапа пылеугольной технологии успешно завершено в промышленном масштабе: расход ПУТ увеличен до 100-150 кг/т чугуна, кокса сокращен до 350-400 кг/т чугуна.
Зарубежный опыт. Современный уровень доменной технологии в мире представлен печами, достигшими в последние годы наиболее высокой эффективности использования ПУТ — доля замены кокса ПУТ в данных режимах составляет 35-46%. Из технической литературы следует, что к параметрам, определившим такои уровень технологии, относятся: уменьшение выходов колошникового и восстановительных газов на 1 т чугуна до 1400-1600 и 650-700 м3 соответственно, а также выхода шлака до 220-300 кг/т чугуна; снижение доли мелочи в железорудной шихте до 5%; улучшение качества кокса по показателю горячей прочности (CSR) до 60-70%; повышение теоретической температуры горения до 2083-2193 °С; использование ПУТ высокого качества.
В рассмотренных технологических режимах все определяющие параметры ниже предельного уровня, что свидетельствует о работе печей в устойчивом и оптиматьном режиме. Большие расходы ПУТ и эффективность его использования при этих режимах достигнуты благодаря высокому качеству шихты и топлива, а также лучшим технологическим условиям плавки, что позволило обеспечить требования полной и комплексной компенсации, несмотря на значительное сокращение расхода кокса.
Расчет эффективности использования ПУТ для доменных цехов Украины и России
Украина. В соответствии с реальными возможностями ОАО "Енакиевский металлургический завод" и учетом проектных данных введенной в эксплуатацию и 2007 г печи №5 для обеспечения полной и комплексной компенсации при вдувании в горн ПГ и ПУТ в коли честве 100-250 кг/т чугуна предложены следующие компенсирующие мероприятия: увеличение температуры дутья до 1200 °С, содержания кислорода в нем до 38%; давления газа на колошнике до 180 кПа; сокращение расхода ПГ и последующий вывод его из состава дутья; повышение содержания железа в агломерате до 57% при росте основности (CaO/SiO2) до 1,5-2; уменьшение доли мелочи 5-0 мм в агломерате до 8%, в окатышах — до 2%; увеличение доли окатышей в шихте до 60-80%; улучшение подготовки кокса к плавке; загрузка в печь скипового кокса, содержащего 90% и более фракций 40-80 мм, и 40-60 кг/т чугуна коксового орешка; стабилизация и оптимизация технологического режима на основе статистического исследования первичной информации.
Для приготовления пылеугольного топлива предложены угли с содержанием золы до 12% и серы до 1,5%: рядовой уголь Т (г. Донецк); антрацит АС(г. Луганск); газовый уголь Г (Кузбасс, Россия); смесь углей АС (70%) и Г (30%). В соответствии с набором компенсирующих мероприятий рассчитаны два режима технологии с вдуванием на 1 т чугуна 60-160 и 160-240 кг ПУТ. Компенсирующие мероприятия для вариантов 1-го режима позволили снизить базовый расход кокса на 31-35,3 кг/т чугуна (6.2-7,1%), повысить производительность печей на 10-15,6%. При этом улучшились определяющие комплексные параметры плавки. Учитывая сложившиеся конъюнктуру и перспективы, для реализации 1-го режима рассмотрели прежде всего шихту на основе окатышей СевГОКа. В этом режиме наибольшую эффективность при удовлетворительных определяющих параметрах обеспечило использование ПУТ из угля Т (120 кг/т чугуна) и АС (100 кг/т чугуна). Реализация рассмотренных вариантов обеспечит уменьшение расхода кокса на 1 т чугуна на 118,7-119,3 кг (23,8%), ПГ - на 40-51,6 м3 (43,9-56,6%), условного топлива — на 68,1-74 кг (10,8-11,7%), себестоимости 1 т чугуна — на 73,5-75 грн, прирост производительности — на 10,2-11,3%. При расчете вариантов 2-го режима использование окатышей СевГОКа не рассматривали, поскольку получали превышающие предельные значения выхода шлака на 1 т кокса и скорости газа в распаре. Окатыши Центрального ГОКа в данном варианте компенсации обеспечили уменьшение расхода кокса на 73,1 кг/т чугуна (14,6%) и условного топлива — на 77,4 кг/т чугуна (12,3%), прирост производства — на 34,3%.
Удовлетворительный уровень определяющих комплексных показателей обеспечен при вдувании в горн на 1 т чугуна 180 кг ПУТ, приготовленного из углей марок Т и АС+Г. Реализация этих режимов обеспечила снижение на 1 т чугуна расхода кокса на 182,4-182,6 кг (36,6%), ПГ — на 91,1 м3 условного топлива — на 125,2-125.4 кг (19.9%), себестоимости 1 т чугуна — на 96,8-100 грн, повышение производительности — на 35,6-36.9%. Расчет показал, чло применение ПУТ в сочетании с комплексом компенсирующих мероприятий позволит в технологических условиях ОАО ЕМЗ повысить долю замены кокса дополнительными топливами до 23,8-36,6 %, что в 1,9-2,6 раза больше, чем при вдувании в горн ПГ+О2.
Россия. С позиций внедрения ПУТ технологические условия доменных цехов России более предпочтительны, чем Украины, благодаря меньшим приходу серы с шихтой и выходу шлака и меньшей его основности. Эти обстоятельства предопределяют возможность освоения этой технологии с минимальным набором компенсирующих факторов.
В технологических условиях ОАО "Западно-Сибирский металлургический комбинат" компенсация только за счет сокращения расхода ПГ обеспечивает при оптимальной величине коэффициента компенсации КК=0,5 м3/кг ПУТ возможность вдувания на 1 т чугуна 150 кг ПУТ, приготовленного из угля Бачатского разреза Кузбасса, и замены им 82 кг кокса (18,9%) при уменьшении на 27 кг (4,8%) расхода условного топлива, обеспечивая коэффициент замены кокса ПУТ 0,55 кг/кг. При этом сохранены базовые уровни производительности печи и качества чугуна. Таким образом, вдувание в горн ПУТ+ПГ позволило значительно повысить эффективность использования комбинированного дутья по сравнению с вдуванием только газа; в частности, экономия кокса возросла от 81 до 166 кг/т чугуна, т.е. более чем в два раза.
Окупаемость капитальных вложений, необходимых для строительства ПУТ-комплексов (1-й этап) и реализации необходимых компенсирующих мероприятий, составит 2-3 года. Освоение 2-го этапа ПУТ-технологии в Украине и России (150-200 кг/т чугуна) также эффективно, однако предопределяет необходимость внедрения дорогостоящих компенсирующих мероприятий — снижения выхода шлака до 300 кг/т, повышения температуры дутья до 1150-1200 °С; сокращения доли мелочи 5-0 мм в доменной шихте до 5-8%; значительного улучшения качества кокса и др. Реализация этих мероприятий невозможна без значительных дополнительных капитальных вложений, сопоставимых со стоимостью ПУТ-комплексов.
Перспективы внедрения ПУТ-технологии в доменных процессах Украины и России
На основе 27-летнего опыта работы пылеугольной установки на ДМЗ, а также зарубежного опыта некоторые металлургические предприятия Украины заключили контракты с зарубежными фирмами на поставку "под ключ" установок для производства и вдувания ПУТ. Поставщики оборудования гарантируют расход ПУТ до 150 кг/т чугуна. Эти "гарантированные" цифры подразумевают, однако, то, что сданное "под ключ" оборудование может надежно, без сбоев подать ПУТ в фурмы в количестве, обусловленного контрактом. Насчет того, что доменные печи и технология "примут" эти 150 кг ПУТ, гарантии распространяются лишь при определенных условиях. Да, некоторые импортные установки обеспечили снижение расхода кокса до 250-300 кг/т чугуна при вдувании ПУТ 180-260 кг/т чугуна (опыт Бельгии, Нидерландов, Франции, Японии, Китая). Но известно и то, что эти установки "под ключ" были построены за месяцы. Высокоэффективные же технологии как за рубежом, так и на ДМЗ создавались 10-20 лет, в течение которых разрабатывались компенсирующие мероприятия, обеспечившие высокие производительность и качество чугуна при работе доменной печи в условиях так называемой малококсовой плавки. Следовательно, дело не столько в типе пылеугольного комплекса, сколько в методике организации технологического процесса. Разработанная на основе многолетней работы пылеугольной установки ДМЗ теория полной и комплексной компенсации негативного влияния ПУТ на технологию создает возможность заменить традиционный метод "проб и ошибок" методикой, учитывающей влияние вывода из шихты кокса и горения ПУТ на газодинамический режим, условия сгорания топлива, нагрева втихты и др., а также позволяющей рассчитать и принять необходимые компенсирующие меры для устранения нарушений. Такой количественный расчет создает предпосылки для сокращения продолжительности освоения оптимального и наиболее эффективного режима с применением ПУТ от нескольких лет до нескольких месяцев. Технологические условия доменных печей Украины значительно отличаются от зарубежных: повышенным приходом мелочи 5-0 мм с железорудной шихтой и выходом шлака, высокими приходами с шихтой серы и щелочей, низким качеством кокса и др.
Тем не менее созданная на ДМЗ технология обеспечила замену дополнительными топливами (ПГ+ПУТ) 30 - 35% кокса, что не меньше, чем на большинстве современных зарубежных установок, освоивших вдувание ПУТ в количестве 100-150 кг/т чугуна, и долю замены кокса пылеугольным топливом 20-30% (Турция, Румыния, Польша, Словакия). Из изложенного следует, во-первых, что заключенные на строительство ПУТ-комплексов контракты должны быть ориентированы на конечный результат — разработку стабильной и эффективной технологии с высоким расходом топлива. В связи с этим одновременно со строительством комплексов необходимо немедленно начать работу по расчету и оптимизации малококсовой технологии с применением ПУТ, выбору и внедрению соответствуюших компенсирующих мероприятий. И сделать это необходимо до ввода в эксплуатацию пылеугольных комплексов. Украина располагает поданному вопросу необходимым научным и промышленным опытом: теоретические основы теории полной и комплексной компенсации и высокоэффективная ПУТ-технодогия созданы технологами ОАО ДМЗ и специализированной лаборатории ДонНТУ в 1980-2005 гг. Что же касается пылеугольных комплексов, предлагаемых зарубежными фирмами, то они уже построены в 25 странах мира и эффективно работают.
Столь же эффективно работает и один из первых в мире Донецкий комплекс, модернизированный Гипросталью в 2002 и 2007 гг. Этот комплекс создан на базе отечественного оборудования, рассчитан на имеющиеся ресурсы и эксплуатацию силами предприятия. Опыт показывает что по основным определяющим параметрам установка ОАО ДМЗ отвечает требованиям современных пылеугольных установок IV поколения: тонина помола и равномерность подачи ПУТ во времени и по фурмам, полнота сгорания ПУТ, сокращение вредных выбросов в атмосферу и при этом стоимость данной установки существенно меньше стоимости зарубежных. Разработанные в Украинеитехнология и оборудование полностью учитывают существенную и принципиальную специфику отечественных и зарубежных технологических условий. Пока большая часть металлургических предприятий Украины и России не приняли решения о строительстве ПУТ-комплексов. Однако развитие и освоение доменной технологии за последние 25 лет показывают, что эта технология — наиболее перспективное и эффективное мероприятие, полностью подготовленное к массовому промышленному внедрению. С учетом данного обстоятельства Гипросталью в проектах новых и реконструируемых в Украине доменных печей предусматривается строительство пылекомплексов, учитываются особенности работы доменных печей с вдуванием ПУТ. Очевидно, пора делать выбор, как это сделало большинство металлургических предприятий за рубежом.
В связи с этим, во-вторых, настоятельно рекомендуем тщательным образом изучить опыт освоения оборудования и технологии пылевдувания н ОАО ДМЗ, сопоставить достигнутые эффективность и стоимость затрат, изучить опыт работы печей №№1 и 2 в 2005-2007 гг. при полной замене природного газа пылеугольным топливом в типичных украинских технологических условиях, сопоставить полученные сведения с условиями, в которых работают импортные установки. И вероятно, что Ваш выбор будет в пользу установки ОАО ДМЗ. Тем более, что она успешно работает в новых условиях уже около пяти лет. Благодаря применению ПУТ достигнуты оптимальные показатели работы печи и высокая экономическая эффективность плавки. То же самое и с меньшими затратами может получить и Ваше предприятие.
Выводы