Руднотермические процессы и малоотходные технологии
Авторы: С.Л. Ярошевский, А.В. Емченко, В.Е. Попов, С.А. Иванов, В.П. Ивлев, А.В. Кузин
Источник: Бюллетень «Черная металлургия»,№4, 2011 с. 29-35.
Рассмотрен опыт ЗАО «„Донецксталь“-МЗ» по освоению пылеугольной технологии и замене природного газа пылеугольным топливом. В промышленном масштабе освоена технология выдувания 138-174 кг пылеугольного топлива на 1 т чугуна, обеспечившая значительное сокращение или вывод из состава дутья природного газа,снижение расхода кокса на 23,7-32,6% и условного топлива на 13,1-15,6%, прирост производительности доменных печей. Выполненные расчеты показали, что дальнейшее повышение расхода пылеугольного топливавозможно и экономически выгодно, однако, для реализации режима необходимо внедрение комплекса компенсирующих мероприятий. Оценена эффективность принятых мер в масштабах отрасли в Украине.
Промышленная технология выплавки чугуна с применением природного газа (ПГ), а позже – и кислорода впервые освоена в 1957-1960 гг. на украинских металлургических заводах – им. Петровского (г. Днепропетровск) и «Запорожсталь» (г. Запорожье) [1]. В начале 70-х годов прошлого века в СССР с применением ПГ выплавлялось более 90% от общей выплавки чугуна, что позволило снизить расход кокса на 7-8 млн. т в год и получить экономический эффект в размере 158 млн. рублей [1].
В Украине массовое применение ПГ для выплавки чугуна (2,5-3,0 млрд. м3/год) неизменно и в настоящее время, несмотря на убыточность такой технологии, что объясняется катастрофическим ростом стоимости ПГ: от 10-15 (в 70-х годах прошлого века) до 300 $ за 1000 м3 (2010 г.).
В 60-х годах прошлого века проведены аналитические и экспериментальные работы, подтверждающие высокую эффективность использования в доменной плавке пылеугольного топлива (ПУТ). В частности, меньшее содержание летучих в ПУТ и большее снижение выхода горновых газов способствуют меньшему снижению теоретической температуры горения. Кроме того, ресурсы ПУТ по замене кокса значительно больше, чем ПГ, что предопределяет его экономические и технологические преимущества [2-4]. Это обстоятельство стало основной причиной массового промышленного внедрения ПУТ в мире в последние десятилетия.
В Украине на Донецком металлургическом заводе с 1980 г. освоен и успешно работает первый в Европе промышленный пылеугольный комплекс [3, 5]. За прошедшие годы с его использованием освоены технологии с вдуванием в горн (ПГ + ПУТ), (ПГ + ПУТ + O2), (ПУТ + O2). При этом уровень расхода ПУТ повысился от 0 до 160-180 кг/т чугуна, ПГ –снизился от 80-100 м3/т чугуна до 0, кокса – от 560-580 до 380-450 кг/т чугуна соответственно [3, 5-8].
В начале третьего тысячелетия пылеугольная технология освоена в 30-ти странах мира. Суммарный объем внедрения по чугуну составил более 400 млн. т, что превысило половину мировой его выплавки. При этом расход ПУТ постепенно возрос до 160-250, а кокса – снизился до 250-350 кг/т чугуна [5, 9, 10]. Освоение технологии плавки с высоким расходом ПУТ оказалось более сложной задачей, чем создание оборудования, поскольку проводилось преимущественно методом проб и ошибок.
На основе исследования массового промышленного опыта применения ПУТ на Донецком металлургическом заводе (1980-2009 гг.) в доменных цехах стран Европы, а также Японии и Китая в настоящее время разработана теория полной и комплексной компенсации негативного влияния ПУТ, благодаря которой стало возможным проектирование и создание высокоэффективных технологических режимов с повышенным расходом ПУТ и заменой им до 30-50% кокса [3, 5]. С точки зрения теоретических разработок, процессов теплообмена и нагрева шихты, восстановления оксидов железа и т. д. возможна полная замена кокса ПУТ.
Теоретические работы и массовый промышленный опыт доменного цеха ЗАО «Донецксталь-МЗ» убедительно подтверждают перспективность и эффективность применения ПУТ в сложившихся конъюнктурных и технологических условиях доменных цехов Украины, причем, в первую очередь, с целью полной замены им ПГ.
Обоснование технологических режимов плавки с применением ПУТ (методика расчета)
Для оценки негативных изменений технологии, определяемых горением ПУТ и снижением доли кокса в шихте, использовали уравнения необходимой теоретической температуры горения, производительности печи, изменения степени использования восстановительного потенциала горнового газа, времени сгорания частиц ПУТ [3, 4, 11, 12]. Расчеты по уравнениям, приведенным в этих работах, позволили установить прямую связь между уровнем оптимального расхода ПУТ и эффективностью его применения, с одной стороны, и уровнем, качеством технологических условий доменной плавки – с другой.
где ΔQк ПУТ, ΔQк комп. м – снижение расхода кокса за счет прироста расхода ПУТ и применения компенсирующих мероприятий, кг/т чугуна; ΔQПУТ – изменение расхода ПУТ, кг/т чугуна.
Расчеты показывают, что устойчивые и эффективные технологические режимы с применением ПУТ возможны при величине ΣКз≥1. При этом сохраняются на базовом уровне или улучшаются производительность печи и время сгорания частиц ПУТ, повышается степень использования СО. Необходимая теоретическая температура горения кокса также сохраняется на базовом уровне или повышается [3, 5].
Из уравнения следует, что компенсирующими могут быть мероприятия, обеспечивающие снижение расхода кокса и, соответственно, выхода горновых газов на 1 т чугуна. Этому способствуют повышение температуры дутья, снижение выхода шлака, расхода сырого известняка, прихода фракции менее 5 мм с железорудной шихтой, улучшение качества кокса и ПУТ.
Методика расчета показателей доменной плавки с высоким расходом ПУТ создана на основе работ профессора А. Н. Рамма [4]. Программы написаны в базе данных Microsoft Access. Для выполнения расчетов использованы IBM ATX совместимые персональные компьютеры Intel Celeron 1200.
Для оценки возможности реализации расчетных технологических режимов предложены определяющие параметры. Показано, что при достигнутых уровнях качества кокса, железорудного сырья, параметрах температурно-дутьевого режима в диапазоне расхода кокса от 250 до 600 кг/т чугуна маловероятна возможность превышения скорости газа в распаре (20 м/с), рудной нагрузки (6 т/т кокса), выхода горнового газа (5 тыс. м3/т кокса), количества мелочи фракции 5-0 мм в железорудной шихте (400 кг/т кокса), выхода шлака (1100 кг/ т кокса).
Очевидна необходимость улучшения качества кокса по мере роста расхода ПУТ и снижения расхода кокса. Согласно исследованиям специалистов показатель горячей прочности кокса при расходе ПУТ 300 кг/т должен повыситься до 77,9%, то есть пока еще не достигнутого уровня [13]. Аналогично должны измениться качество железорудной шихты и параметры дутьевого режима.
Указанные значения определяющих параметров рассмотрены как граничные, предельные, разделяющие области реально достижимых и маловероятных режимов доменной плавки с применением ПУТ.
Промышленный опыт работы доменных печей с повышенным расходом ПУТ
Освоение ПУТ-технологии на Донецком металлургическом заводе в начале осуществляли, в основном, за счет снижения расхода ПГ: расход ПУТ составлял 60-80 кг/т чугуна, а снижение расхода кокса – 10-15% [3].
В дальнейшем были опробованы и частично реализованы следующие основные компенсирующие мероприятия:
– последовательно увеличена (до 70-100%) доля офлюсованных окатышей в шихте, что позволило исключить из нее относительно бедные, содержащие 20% и более мелочи 5-0 мм, агломераты ЮГОК (Кривой Рог) и ОАО «ММК им. Ильича»;
– освоены производство и применение в промышленном масштабе кокса «Премиум», имеющего качественно более высокие показатели прочности и истираемости, а также пониженное (0,77-0,90%) содержание серы [7];
– опробована и освоена технология загрузки в печь коксового орешка и металлургического кокса в смеси с железорудной шихтой;
– повышены до 1100 °С температура дутья и до 26% – содержание в нем кислорода;
– освоено производство ПУТ из смеси донецких (марки «Т») и российских (марки «Г») углей, содержащих менее 0,5% S;
– опробована система оптимизации технологии на основе статистического исследования первичных данных о работе доменной печи.
Базовый режим технологии при работе на ПГ проведен в 2002 г. на доменной печи (ДП) № 2 после ее капитального ремонта на шихте при использовании агломерата ЮГОК и окатышей ЛебГОК (табл. 1, режим 1). Показатель производительности печи в периоде составлял 1,99 т/(м3•сутки), однако работа печи характеризовалась низкой степенью использования СО и, соответственно, высоким расходом энергоносителей.
В 2005 г. на ДП № 2 освоена технология выплавки чугуна при совместном вдувании ПУТ и ПГ и обогащении дутья кислородом, позволившая снизить: расход кокса – на 183 кг/т чугуна (32,4%), ПГ – 34 м3/т чугуна, условного топлива – 91 кг/т чугуна (13%), (табл. 1, режимы 1, 2) [8]. Режим 2 по сравнению с режимом 1 (см. табл. 1) характеризуется увеличением времени контакта газа-восстановителя с оксидами железа от 0,287 до 0,444 с, то есть более чем на 50%, что определено снижением выхода горновых газов на 1 т чугуна на 569 м3 (24,9%), доли кокса в шихте – с 56,1 до 46,5%, повышением времени пребывания шихты в печи – с 6,62 до 7,82 ч. В результате достигнуты качественные изменения в режиме восстановления оксида железа: показатель степени использования СО повысился на 22,5% (отн.) – с 0,373 до 0,457, при этом показатель степени прямого восстановления снизился с 0,35 до 0,339, что говорит о значительной интенсификации восстановительного процесса.
Проведенными опытами доказано, что в определенных условиях технологический режим при совместном вдувании ПУТ + ПГ + O2 рационален и эффективен. Подтверждается это и зарубежной практикой. Так, в 2000 г. в США, имеющих большие запасы ПГ, 20 современных доменных печей работали при совместном вдувании в горн ПГ и ПУТ [9].
Таблица 1 - Показатели работы доменной печи № 2 ЗАО «ДМЗ»
Однако в Украине ситуация с запасами и стоимостью ПГ иная. Поэтому с 2005 г. снижение расхода и исключение использования ПГ для выплавки чугуна стало одной из наиболее актуальных проблем.
В 2006-2009 гг. на ряде металлургических предприятий Украины в режиме длительной промышленной эксплуатации опробовали технологический режим с исключением вдувания в горн ПГ, что сопровождалось повышением расхода кокса на 10-13 и снижением производительности на 25-30%. Одной из причин столь значительного ухудшения показателей плавки, наравне с сокращением расхода ПГ, ока- залось снижение температуры дутья на 150-220°С и содержания в нем кислорода.
На ЗАО «Донецксталь-МЗ» задачу вывода из состава дутья ПГ решали за счет увеличения расхода ПУТ и соответственного повышения эффективности его применения (табл. 1, режимы 1, 3, 4).
Исключение вдувания ПГ и повышение расхода ПУТ до 174 кг/т чугуна (табл. 1, режимы 1, 3) позволило полностью вывести из состава дутья ПГ (99 м3/т чугуна), уменьшить расход кокса на 134 кг/т чугуна (23,8%), расход условного топлива – на 109 кг/т чугуна (15,6%). При этом несколько снизили температуру дутья (на 104°С), что объясняется низкой калорийностью газа, используемого для обогрева воздухонагревателей, из-за исключения добавок к нему ПГ.
Весьма интересен режим 4 (табл. 1) – доменная плавка проведена на шихте, состоящей из офлюсованных окатышей СевГОК (100%). Необходимо отметить низкое содержание железа и невысокую прочность этих окатышей, следствием чего является повышенное (до 10%) содержание мелочи фракции 5-0 мм, значительный вынос колошниковой пыли.
Замена агломерата ЮГОК и 986 кг/т чугуна окатышей ЛебГОК офлюсованными окатышами СевГОК, выведение из состава дутья 99 м3/т чугуна ПГ и, в качестве положительного фактора, вдувание в горн ПУТ (137 кг/т чугуна) позволили снизить расход кокса на 109 кг/т чугуна, условного топлива – 94 кг/т чугуна (табл. 1, режимы 1, 4).
Из приведенных экспериментов следует, что ПУТ – высокоэффективная альтернатива ПГ. Выведение из состава дутья всего ПГ с заменой его ПУТ наиболее рационально в сложившихся в Украине конъюнктурных условиях.
Перспективные технологические режимы
Расчеты показывают, что перспективы использования ПУТ при работе печи на железорудной шихте из офлюсованных окатышей СевГОК ограничены из-за низкого их качества. В связи с этим для улучшения качества железорудной шихты целесообразно заменить часть офлюсованных окатышей СевГОК вторым шихтовым компонентом, имеющим более высокое качество, прежде всего, по прочности, содержанию железа и мелочи 5-0 мм. В качестве альтернативы офлюсованным окатышам СевГОК рассмотрены более 20 отечественных и зарубежных железорудных материалов. Расчеты показали, что наиболее реальными и достаточно эффективными для условий Донбасса оказались окатыши ЛебГОК и металлодобавка.
Наравне со вторым компонентом железорудной шихты использовали кокс «Премиум», реализацию системы современной подготовки кокса к плавке, включающую введение в смесь с железорудной шихтой 100 кг/т чугуна коксового орешка и металлургического кокса, замену части сырого известняка мягкообожженной известью. Все предлагаемые высокоэффективные компенсирующие мероприятия успешно опробованы или внедрены в условиях доменных печей Донбасса. Однако их реализация требует организационно-технических усилий, после чего она может быть осуществлена с минимальными затратами и в сжатые сроки (табл. 2, режимы 2-6).
На ближайшую перспективу наиболее рациональными представляются режимы 10, 12, 14 (табл. 2), в которых предлагается введение в шихту 50 кг/т чугуна металлодобавки и 250-750 кг/т чугуна окатышей ЛебГОК. Реализация этих вариантов создает условия для повышения до 180-185 кг/т чугуна расхода ПУТ, снижения на 130,0-142,4 кг/т чугуна (28,6-31,3%) расхода кокса, на 95,4-103,1 кг/т чугуна (15,8-17,0%) расхода условного топлива, прироста производительности на 23,0-23,7%.
Полученный эффект обеспечен соответственным снижением (в кг/т чугуна) выхода шлака – 43,3-74,4, расхода известняка – 128,5-108,1, прихода серы с шихтой – 0,7-0,9, выхода горновых газов на 409-434 м3/т чугуна (23,4-24,8%), что свидетельствует об эффективности предложенных компенсирующих мероприятий и корректности полученных основных ТЭП плавки (табл. 2, режимы 10, 12, 14).
Варианты технологии с введением в шихту окатышей ЛебГОК (табл. 2, режимы 10, 12, 14) не имеют значительных преимуществ по технико-экономическим показателям (ТЭП) по сравнению с вариантами шихты из офлюсованных окатышей СевГОК (табл. 2, режимы 7, 8). Однако несомненное их преимущество состоит в качественно бoльшем резерве по определяющим показателям: существенно меньшие приход мелочи 5-0 мм с железорудной шихтой, выход горновых газов, шлака, что может благоприятно повлиять на устойчивость технологии, интенсивность плавки и, соответственно, уровень ТЭП плавки.
Таким образом, комплекс предложенных компенсирующих мероприятий и повышение до 180-185 кг/т чугуна расхода ПУТ создают объективные предпосылки для выхода технологии доменных печей ЗАО «„Донецксталь“-МЗ» на современный технический уровень, характерный расходом кокса ниже 350 кг/т чугуна и производительностью 2,3-3,5 (т/м3 в сутки). Сказанное очевидно из сравнения показателей режимов 10, 12, 14 (табл. 2) с показателями современных доменных печей за рубежом (табл. 3).
Таблица 2 - Результаты расчета эффективности компенсирующих мероприятий и вдувания ПУТ на окатышах СевГОК
для условий ДП №2 ЗАО «Донецксталь-МЗ»
Таблица 3 - Праметры доменных печей при работе с высоким расходом ПУТ
В заключение необходимо отметить, что для успешной реализации рассчитанных технологических режимов 10, 12, 14 (табл. 2) необходимо планировать также приведение в полное соответствие с технологией выплавки чугуна конструкции доменных печей и производительности по загрузке шихты, выдачу продуктов плавки и других, а также КИПиА с целью улучшения количественного оперативного контроля плавки, что необходимо для сохранения и повышения стабильности и оптимальности технологии.
Экономическая эффективность
Качественно оценить эффективность пылеугольной технологии в масштабах отрасли можно исходя из реального многолетнего промышленного опыта ЗАО «Донецксталь-МЗ» и зарубежных стран (табл. 3). Поэтому для освоения первого этапа ПУТтехнологии в Украине [16] принимаем:
– годовую выплавку чугуна с применением ПУТ 25 млн. т;
– расход ПУТ – 140 кг/т чугуна;
– снижение расхода ПГ на 0,5 м3/кг ПУТ;
– коэффициент замены кокса ПУТ – 0,75 кг/кг;
– стоимость кокса (начало 2010 г.) – 1800 грн./т;
– стоимость ПГ – 3300 грн. за 1000 м3 (начало 2010 г.);
– стоимость ПУТ – 900 грн./т.
Согласно указанным цифрам, реализация пылеугольной технологии в масштабах отрасли черной металлургии позволит: снизить потребление кокса на 2,63 млн. т, ПГ – 1,75 млрд. м3, себестоимость чугуна – 1,93 млрд. грн. Стоимость затрат на указанное годовое производство чугуна с применением ПУТ составит около 2,5 млрд. грн. Таким образом, срок окупаемости внедрения первого этапа пылеугольной технологии составит менее двух лет. Дальней- шее повышение цен на энергоносители (в первую очередь, на ПГ) будет способствовать повышению эффективности использования ПУТ.
Кроме того нужно решить задачу значительного снижения или исключения использования в доменном производстве ПГ и проблему охраны окружающей среды. Сокращение годового объема потребления и, следовательно, производства кокса на 2,63 млн. т обеспечит снижение выброса в окружающую среду вредных веществ на 16,22 тыс. т, в т. ч. 5,26 тыс. т сернистых соединений, 6,03 тыс. т аммиака и фенола, 1,64 тыс. т окислов азота и т. д.
Выводы
1. Технология доменной плавки с вдуванием воколо 2,5 млрд. м3 ПГ, в сложившихся технологи- ческих условиях в Украине менее эффективна по сравнению с вдуванием ПУТ. Определяющими показателями, характеризующими преимущества ПУТ, являются возможность частичной или полной замены им ПГ, а также потребление большего в 2-3 раза, чем ПГ, количества кокса.
2. На ЗАО «Донецксталь-МЗ» в 2005-2009 гг. освоены следующие технологии доменной плавки с повышенным расходом ПУТ:
3. Для условий доменного цеха ЗАО «Донецксталь-МЗ» на основе теории полной и комплексной компенсации рассчитаны перспективные технологические режимы с применением ПУТ. Комплекс компенсирующих мероприятий включает: повышение температуры дутья (1100 oС) и обогащение его кислородом (27%), замену части известняка мягкообожженной известью, современную подготовку кокса к плавке, введение в состав железорудной шихты металлодобавки (50 кг/т чугуна) и окатышей ЛебГОК (250, 400 и 750 кг/т чугуна). Он позволит повысить расход ПУТ до 180-185 кг/т чугуна, что обеспечит снижение расхода кокса до 325,2-312,8 кг/т чугуна (на 130,0-140,4 кг/т чугуна, 28,6-31,3%), условного топлива – на 95,4-103,1 кг/т чугуна (15,8-17,0%), прирост производительности печи – на 23,0-23,7%. Такие технологические режимы по основным ТЭП плавки соответствуют уровню современных европейских доменных печей, работающих с вдуванием на 1 т чугуна 160-200 кг/т ПУТ.
4. ПУТ – высокоэффективная альтернатива ПГ: вывод из состава дутья всего ПГ с заменой его ПУТ наиболее рационален в сложившихся в Украине конъюнктурных условиях.
ЛИТЕРАТУРА
1. Некрасов З. И. Опыт применения природного газа в доменном производстве // Бюл. ЦНИИИЧМ. – 1962. – № 8. – С. 1-7.
2. Дунаев Н. Е., Кудрявцева З. М., Кузнецов Ю. М. Вдувание пылевидных материалов в доменные печи. – М.: Металлургия, 1977. – 207 с.
3. Ярошевский С. Л. Выплавка чугуна с применением пылеугольного топлива. – М.: Металлургия, 1988. – 176 с.
4. Рамм А. Н. Современный доменный процесс. – М.: Металлургия, 1980. – 304 с.
5. Ярошевский С. Л. Резервы эффективности комбинированного дутья в доменных цехах Украины // Познание процессов доменной плавки. – Днепропетровск: Пороги, 2006. – С. 366-378.
6. Ярошевский С. Л. Перспективы и эффективность доменной технологии определяются степенью замены кокса пылеугольным топливом. – Донецк: УНИТЕХ, 2006. – 21 с.
7. Влияние кокса повышенного качества на работу доменной печи с вдуванием пылеугольного топлива без применения природного газа / Ю. В. Филатов, А. Н. Рыженков, Б. П. Крикунов и др. // Тр. междунар. научн.-техн. конф. «Пылеугольное топливо – альтернатива природному газу при выплавке чугуна». – Донецк: УНИТЕХ, 2006. – С. 248-255.
8. Исследование технологии доменной плавки при вдувании в горн пылеугольного топлива, природного газа и дутья, обогащенного кислородом / А. Н. Рыженков, С. Л. Ярошевский, В. П. Замуруев и др. // Металлург. – 2006. – № 5. – С. 41-44.
9. Савчук Н. А., Курунов И. Ф. Доменное производство на рубеже ХХI века // Новости черной металлургии за рубежом. – М.: ОАО «Черметинформация». – 2000. – Ч. ІІ, прил. 5. – 42 с.
10. Integrated Steelmaking Plants. Danieli Corus и Modern Blast Furnace Technology First class solutions, based on operational experience. Danieli Corus (Голландия). 2-я Междунар. конф. доменщиков «Проблемы продления кампании доменной печи и освоения технологии вдувания ПУТ. Современные решения и практический опыт». – Днепропетровск, 2009.
11. Китаев Б. И., Ярошенко Ю. Г., Лазарев Б. Л. Теплообмен в доменной печи. – М.: Металлургия, 1966. – 355 с.
12. Бабий В. И., Иванова И. П. Длительность воспламенения и горения частиц пыли различных марок углей // Матер. III Всесоюзной конф. по теории горения твердого топлива «Горение твердого топлива». – Новосибирск: Наука, 1969.