В последние 20 лет в мире непрерывно расширяется внедрение технологии доменной плавки с заменой части кокса пылеугольным топливом (ПУТ), В XXI в. его используют уже более 25 стран, с его применением ежегодно выплавляется около 300 млн т чугуна. Расход ПУТ на 1 т чугуна достиг 100-260 кг, а доля замены им кокса составляет 30-50%. В 2002 г. одна из первых в мире промышленных установок по приготовлению и вдуванию ПУТ в горн доменных печей на Донецком металлургическом заводе (1980 г.) была реконструирована с целью повышения взрывопожаробезопасносгп и защиты окружающей среды, оснащена современными приборами и схемами автоматики, что дает основания отнести ее к установкам IV поколения. На основе модернизированного 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+О2").
Основные положения теории и практики компенсации негативных изменений в технологии, определяемых горением дополнительного топлива и снижением доли кокса в шихте
Горение ПУТ и замена им кокса неизбежно сопровождается неблагоприятным изменением определяющих параметров плавки: сокращением доли кокса в шихте, соответственно ухудшением ее порозности и газопроницаемости, снижением теоретической (и реальной) температуры в фурменной зоне, содержания кислорода в горновом газе по длине фурменной зоны и т.д. Поэтому без применения специальных компенсирующих мер оптимальный расход ПУТ обычно составлял 50 кг/т чугуна. Известны варианты компенсации вдувания дополнительнго топлива при условии сохранения неизменной базовой теоретической температуры горения. Однако при значительных расходе дополнительного топлива и уменьшении расхода кокса наравне с температурным режимом должны компенсироваться условия сгорания ПУТ и нагрева продуктов плавки, газодинамический режим и другие показатели, т.е. компенсация должна быть комплексной.
При оценке комплекса технологических условий, определяющих эффективность применения ПУТ, для характеристики теплового режима горна приняли полученное из уравнения теплового баланса для нижней зоны теплообмена уравнение необходимой теоретической температуры горения. Для характеристики газодинамического режима восстановительных процессов, продолжительности сгорания частиц ПУТ использовали уравнения и методики Л. Н. Рамма, Б. И. Китаева, В. И. Бабия и И. В. Ивановой. Теоретические исследования, анализ результатов опытных и промышленных плавок, проведенных в Украине и за рубежом, показывают, что при суммарном коэффициенте замены ∑KЗ≥1 и сохранении на базовом уровне или увеличении теоретической температуры горения повышение расхода ПУТ не вызывает снижения зффективности его применения и ухудшения базовых значений основных технико-зкономических показателей 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+О2, обеспечившую расход кокса менее 400 кг/т чугуна и замену дополнительным топливом 30-35% кокса. Опыт европейских стран в 1985-2003 гг. показал, что, как правило, освоение технологии с высоким (150-200 кг/т чугуна и более) расходом ПУТ происходило в режиме сверхкомпенсации (∑KЗ> 1), что наравне с сохранением высокого базового коэффициента замены кокса ПУТ способствовало значительному росту производительности печей и снижению удельного расхода условного топлива.
Технологические и шихтовые условия доменной плавки
Доменная печь №2 полезным объемом 1033 м3, введенная в эксплуатацию после капитального ремонта 1 разряда в апреле 2002 г., имеет 16 воздушных фурм (d = 145 мм), две чугунные летки, клапанный двухконусный засыпной аппарат; обеспечена нагревом дутья до 1150 °С при обогащении кислородом (26%), подводами ПГ и ПУТ. Конструкции основной и модернизированной установок для приготовления ПУТ описаны ранее в работах. Печь выплавляла передельный чугун пз привозных агломератов и окатышей, доля последних в шихте изменялась от 35 до 65%. С декабря 2002 г. для повышения стабильности химического состава шихты использовали окатыши ЛебГОКа и агломерат ЮГОКа, в качестве основного топлива кокс Донецкого участка Рутченковскою КХЗ. Показатели качества ПУТ характеризовались высокой тониной помола, низкой и устойчивой влажностью. По мере освоения узла приготовления ПУТ и улучшения угольной базы стабилизировался химический состав ПУТ, средний медианный размер частиц пыли изменялся от 20 до 40 мкм.
Освоение технологии доменной плавки с вдуванием в горн ПУТ+ПГ+О2
Промышленную эксплуатацию пылеугольного комплекса в ЗАО "Донецксталь" - металлургический завод" (ЗАО ДМЗ) начали в сентябре 2002 г. С января 2003 г. для приготовления ПУТ использовали уголь марки Т донецкой шахты "Рассвет" в количестве более 200 тыс. т. В ходе освоения технологии с вдуванием ПУТ для поддержания режима комплексной компенсации содержание кислорода в дутье повысили от 22,75 до 25,73%, температуру дутья до 1090-1098 °С; расход ПГ сократили от 99 до 50 м3/т чугуна; долю окатышей ЛебГОКа в шихте поддерживали на уровне не менее 50%; заменили обычный известняк доломитизпрованным (ЧДУ), обожженным (ОДФ-Д) или мягкообожженным доломитом (МОД); перешли на наиболее эффективную систему загрузки шихты: АОКК; диаметр отверстия на ситах при отсеве коксовой мелочи увеличили до 28 мм; уменьшили серистость и тонину помола угля; обеспечили подачу ПУТ в 15 воздушных фурм с неравномерностью поступлення ± (5-10); диаметр воздушных фурм изменили от 165 до 145 мм; основность шлака (CaO/SiO2) - от 1,29 до 1,20. При освоении технологии с вдуванием 92-131 кг ПУТ из угля марки Т на 1 т чугуна расход кокса сократился с 566 до 470-392 кг, природного газа - с 99 до 78-50 м3, а расход кислорода увеличился до 81 м3. Из данных по периодам I и V следует, что суммарная (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 печи возросла с 2046 до 2202-2220 т/сут. Для анализа и оптимизации технологического режима использовали разработанный и описанный ранее метод статистического исследования производственной информации.
Увеличение расхода ПУТ до 120 кг/т чугуна при обеспечении компенсации повышением расхода кислорода на обогащение дутья способствовало снижению приведенного расхода кокса до 440 кг/т чугуна. При этом при повышении расхода ПУТ от 70 до 100 кг/т чугуна коэффициент замены кокса (KЗ) по экспериментальным данным и по расчетным по методу составил 1,1 кг/кг. При вдувании ПУТ до 120 кг/т чугуна, однако, расчетный KЗ снизился до 1 кг/кг, а экспериментальный повысился до 1,23 кг/кг. Средний по периоду расчетный KЗ составил 1,06 кг/кг, а экспериментальный – 1.18 кг/кг. В 1990 г. установлено, что при работе печи с использованием ПУТ и на агломерате (20-25%) мелочи < 5 мм), имеющей вследствие этого крайне напряженную газодинамику, обогащение дутья кислородом и 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 фактическою KЗ над расчетным. Отмеченная особенность подтвердилась и в 2003-2004 гг.: при освоении дутья, обогащенного кислородом, в сочетании с увеличением расхода ПУТ, как и в 1990 г., KЗ был больше расчетного, степень использования восстановительной способности газа (ηCO) возросла с 37.3 до 41.1 - 46.5%.
Исследование содержания углерода в шлаке, колошниковой пыли, шламе, а также макроисследования материалов при работе печей с применением пылеугольного топлива и без него подтвердили практическое отсутствие прироста содержания в них углерода, в частности в виде ПУТ, что свидетельствует о высокой степени газификации утлерода угольной пыли в горне. В периоде III основным компенсирующим фактором было снижение расхода ПГ: исследование показало, что оптимальная величина коэффициента компенсации ПУТ-ПГ для данных технологических условий равна 0,5-0,6 м3/кг ПУТ. Известно, чго по мере совершенствования технологических условий, способствующих снижению выхода горновых газов на 1 т чугуна, теоретическая температура горения повышается, например в условиях доменных цехов на европейских предприятиях до 2150-2200 °С. Аналогичное изменение отмечено и при освоении технологии на доменной печи №2 ЗАО ДМЗ в 2003-2004 гг.: обогащение дутья кислородом определило значительное сокращение выхода горновых газов и повышение оптимальной теоретической температуры горения до 2100-2150 °С. В то же время указанные изменения и уменьшение расхода кокса закономерно определили снижение оптимальной интенсивности плавки по углероду с 1100-1150 до 1000-1050 кг/(м3·сут), что не помешало приросту производительности печи на 65 т в смену (9,3%).
Материально-тепловой баланс плавки с вдуванием ПУТ и без него показал, что в сравниваемые периоды расход на 1 т чугуна составлял 103 кг низкозольного ПУТ, расход ПГ уменьшился с 96 до 73 м3, температура дутья возросла на 58 °С, расход кислорода увеличился с 48 до 74 м3/т чугуна. Качество железорудной шихты улучшилось прежде всего вследствие перехода на агломерат ЮГОКа и окатыши ЛебГОКа, расход известняка и основность шлака уменьшились. В итоге обобщенные показатели компенсации выходы шлака и горновых газов на 1 т чугуна снизились соответственно с 458 до 370 к и с 2084 до 1800 м3. Таким образом, вдувание ПУТ в количестве 103 кг/т чугуна в сочетании с компенсирующими мероприятиями определило снижение расхода кокса на 127 кг/т чугуна, в том числе на 109 кг за счет ПУТ. т.е.∑KЗ составил более 1 кг/кг, теоретическая температура горения возросла с 1967 до 2035 °С. Это свидетельствует о том, что освоение технологии с вдуванием угольной пыли осуществлялось в наиболее благоприятном режиме сверхкомпенсации. Об этом свидетельствуют фактический уровень производительности печи, превышающий приведенный к равным условиям расчетный, значительное увеличение степени использования восстановительной и тепловой работы горновых газов, а также коэффициента полезного действия тепла в печи.
Выводы
Проведенная в 2002 г. реконструкция одной из первых в мире промышленных установок по приготовлению и вдуванию пылеугодьного топлива в горн дает основание отнести ее к установкам IV поколения. В режиме длительной промышленной эксплуатации разработаны и освоены комплекс оборудования для приготовления и вдувания ПУТ и технология плавки с вдуванием в горн ПУТ+ПГ+О2, обеспечившая дополнительное снижение расхода кокса на 96-174 кг/т чугуна (17-30%) и увеличение производительности печи на 156-174 т/сут (7,6-8,5%). Суммарная экономия кокса за счет вдувания ПУТ и ПГ составила ~ 230 кг/т чугуна, что более чем вдвое превышает эффективность технологического режима с пеполыованием ПГ+О2.