ДонНТУ   Портал магистров
Назад в библиотеку

    ПЕРСПЕКТИВЫ И ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА В ДОМЕННЫХ ПЕЧАХ УКРАИНЫ

    Авторы: С.Л. Ярошевский
    Источник: Бюллетень «Черная металлургия»,№4, 2011 с. 29-35.


В последние 25-30 лет в полной мере продемонстрированы перспективность и высокая эффективность применения в доменном производстве пылеугольного топлива (ПУТ). К началу XXI в. пылеугольная технология (в дальнейшем ПУТ-технология) была освоена уже в 30 странах мира. С применением этой технологии в настоящее время производится более 50% мировой выплавки чугуна. Использование ПУТ в объеме 100-260 кг/т чугуна позволило снизить удельный расход кокса на 30-50% и достичь уровня его расхода 240-300 кг/т чугуна [1-3]. С 1985 г. за рубежом в комплексах новых или реконструируемых доменных печей предусматривается строительство пылеугольных установок и освоение соответствующей технологии. Теоретический анализ и промышленный опыт подтверждают, что потенциальные возможности ПУТ-технологии, по-видимому, существенно превышают достигнутый уровень. Кризис в черной металлургии Украины в решающей степени определен крайне высокой ее энергоемкостью: при выплавке чугуна, определяющей до 70% всех энергозатрат при производстве металла, расходуется 550-650 кг у.т/т чугуна, причем в основном в виде таких дорогих и дефицитных видов, как кокс и природный газ (ПГ). Однако теоретические расчеты и зарубежный промышленный опыт показывают, что на основе использования ПУТ указанные затраты могут быть значительно снижены, что может существенно повысить рентабельность и конкурентоспособность металлургии чугуна и металлургического комплекса в целом (табл. 1).



1. Сопоставление перспектив и эффективности использования ПГ и ПУТ в доменной печи

Основными причинами высокой эффективно-сти ПУТ являются:

1.1. Ресурсы

Свыше 70% мировых и 92% украинских ресурсов минеральных топлив представлены уг-лем; соответственно, ресурсы ПГ на порядок ниже, чем твердого топлива [4]. Запасы углей в основном представлены неспекающимися углями марок А, Т, Г и лишь 15-20% (по Украине) спекающимися. Следствием малых запасов и исчерпания ресурсов ПГ и коксующихся углей являются повышение за последние десятилетия стоимости ПГ с 10-15 до 300-400 долл/1000 м3, ухудшение марочного состава коксошихт и качества кокса, что в итоге способствовало повышению расхода кокса и себестоимости чугуна.

1.2. Эффективность вдувания в горн ПУТ и ПГ

Рассмотрим реакции окисления в горне доменной печи углерода и метана:



Из реакций следует, что количество тепла на единицу получаемого восстановительного газа по реакции (2) в 9 раз ниже, чем по реакции (1), а выход восстановительного газа в 3 раза выше. Соответственно, снижение теоретической температуры горения на единицу вдуваемого ПУТ в 2,5-3 раза меньше, а количество вдуваемого на 1 т чугуна дополнительного топлива соответственно больше, чем при вдувании ПГ.

Расчеты и промышленный опыт последних лет подтверждают, что при прочих равных условиях потенциальный ресурс экономии кокса при вдувании ПУТ в 2-3 раза выше, чем при вдувании ПГ.

1.3. Оперативное управление нагревом горна

Изменение расхода ПУТ, вдуваемого с дутьем через воздушные фурмы, в отличие от ПГ, является малоинерционным оперативным средством воздействия на нагрев горна и качество чугуна. При использовании высококачественного ПУТ и соответствующих компенсирующих мероприятий его калорийность и влияние на нагрев горна будут близки к калорийности кокса с той лишь разницей, что изменение расхода ПУТ определяет изменение нагрева горна не через 6-8 ч, как кокс, а через 1-2 ч.

На Донецком металлургическом заводе (ДМЗ) (1980-1990 гг.) согласно технологической инструкции по выплавке чугуна изменение расхода ПУТ с целью оперативной корректировки нагрева горна регулярно использовалось в практике работы доменных печей, способствуя улучшению качества чугуна и повышению технико-экономических показателей плавки.

1.4. Улучшение качества кокса

Проблема ресурсов углей может быть актуальной лишь на первом этапе освоения ПУТ-технологии. В дальнейшем же, безусловно, случится то, что уже случилось в странах, применяющих в массовом количестве ПУТ: сокращение производства кокса, улучшение его качества за счет повышения доли коксующихся углей в коксошихте, использование бoльшей части высвободившейся коксошихты в качестве сырья для производства ПУТ (рис. 1) [5].

Рис. 1. Среднегодовые показатели работы доменных цехов в Европе (2004?2005 гг.) и Украине (2006 г.) в зависимости от вида и расхода дополнительного топлива [5]:

1 - Украина (без ЗАО “Донецксталь”-МЗ”); 2 - Австрия; 3 - Финляндия; 4 - Великобритания; 5 - Швеция; 6 - Германия; 7 - Италия; 8 - Испания; 9 - ЗАО “Донецксталь”- МЗ”; 10 - Франция; 11 - Бельгия; 12 - Нидерланды Массовое применение ПУТ и снижение объема производства кокса способствовали соответственному улучшению качества угольных коксошихт, что в сочетании с современной подготовкой кокса к плавке - с отсевом мелочи из металлургического кокса (30-40 мм), снижением содержания в металлургическом коксе фракции +80 мм до 5%, использованием коксового орешка в смеси с железорудной шихтой - позволило в последние годы улучшить качество кокса по показателю горячей прочности (CSR) до 60-75%. Освоение производства высококачественного кокса стало основой создания мало- коксовой технологии доменной плавки (Qk = 250-350 кг/т чугуна) [2, 6, 7, 9].


Рис. 1. Среднегодовые показатели работы доменных цехов в Европе (2004-2005 гг.) и Украине (2006 г.) в зависимости от вида и расхода дополнительного топлива [5]:

Массовое применение ПУТ и снижение объема производства кокса способствовали соответственному улучшению качества угольных коксошихт, что в сочетании с современной подготовкой кокса к плавке с отсевом мелочи из металлургического кокса (30-40 мм), снижением содержания в металлургическом коксе фракции +80 мм до 5%, использованием коксового орешка в смеси с железорудной шихтой - позволило в последние годы улучшить качество кокса по показателю горячей прочности (CSR) до 60-75%. Освоение производства высококачественного кокса стало основой создания мало- коксовой технологии доменной плавки (Qk = 250-350 кг/т чугуна) [2, 6, 7, 9].

1.5. Экологические и другие благоприятные последствия массового внедрения ПУТ-технологии

Внедрение ПУТ-технологии благоприятно скажется на экологической ситуации в промышленных регионах Украины.

Освоение первого этапа ПУТ-технологии (120 кг/т чугуна) в Украине позволит снизить расход кокса на 2,4 млн т/год и, соответственно, сократить выброс во внешнюю среду вредных примесей на 14,8 тыс. т, в том числе сернистых соединений - на 4,8 тыс. т, аммиака и фенола - на 5,5 тыс. т, окислов азота - на 1,5 тыс. т [8].

Следует отметить, что в странах Европы, особенно в Германии, основной мотивацией при массовом промышленном внедрении ПУТ было сокращение годового объема производства кокса и соответственное снижение вредных выбросов в окружающую среду.

Практика зарубежных фирм в последние 20 лет подтвердила, что массовое промышленное внедрение ПУТ-технологии и соответственное сокращение объема производства кокса определяют в расчете на коксодоменный комплекс снижение капитальных затрат и площадей, занятых оборудованием, эксплуатационных расходов, повышение производительности, улучшение условий и безопасности труда (рис. 2, 3) [9].

Очевидно, что существенное повышение рентабельности черной металлургии в Украине невозможно без исключения использования ПГ, в первую очередь в доменной технологии; повышения прочностных показателей качества кокса и его фракционного состава за счет улучшения марочного состава коксошихт и технологии коксования современной подготовки кокса к доменной плавке; массового (150-250 кг/т чугуна) применения ПУТ, приготовленного из недефицитных, неспекающихся и дешевых углей (А, Т, Г), и, в итоге, снижения расхода кокса от имеющих место 450-550 кг/т чугуна до мирового уровня 250-350 кг/т чугуна.



2. Разработка и эффективность оптимальной технологии доменной плавки с применением ПУТ

На основании теоретических исследований, изучения промышленного опыта работы доменных печей ДМЗ с применением ПУТ (1980-2011 гг.) с целью повышения расхода и эффективности применения ПУТ разработана и опробована теория полной и комплексной компенсации нарушений технологии доменной плавки, определяемых заменой части кокса ПУТ [5, 10, 11].

Задача решается за счет одновременного с вдуванием ПУТ внедрения компенсирующих мероприятий, обеспечивающих восстановление оптимальных технологических условий, прежде всего по горению топлива, нагреву шихты, восстановлению оксидов железа, газодинамическим условиям и др.

Для оценки эффективности компенсирующих мероприятий используют понятие суммарного коэффициента замены кокса (?Кз) дополнительным топливом:



где ΔQKKM и ΔQKДТ - экономия кокса за счет компенсирующих мероприятий и повышения расхода дополнительного топлива, кг/т; ΔQДТ - прирост расхода дополнительного топлива, кг/т.

Показано, что при ΣКз = 1,0 кг/кг и более повышение расхода ПУТ не вызывает ухудшения базовых технологических условий и, следовательно, не ограничивает удельного расхода ПУТ и эффективности его применения.

Для оценки достоверности расчета технологических режимов предложены определяющие параметры, превышение определенного уровня которых невозможно в реально сложившихся условиях. К ним отнесены: приход мелочи 5-0 мм с железорудной шихтой, кг/т кокса; выход шлака, кг/т кокса; выход горновых газов, м3/т кокса; скорость газа в зоне пластического состояния шихтовых материалов, м/с [5].

На первом этапе освоения ПУТ-технологии (расход ПУТ до 140 кг/т чугуна) одним из основных компенсирующих мероприятий является снижение расхода ПГ, что может обеспечить существенное его уменьшение или полный вывод, снижение расхода кокса на 10-20%. Данный этап, не требующий значительных капитальных вложений и времени, может быть реализован в течение 0,5-1 года с момента ввода в эксплуатацию ПУТ-установки.

Реализация технологии доменной плавки с применением ПУТ в наиболее крупных доменных цехах Украины уже на первом этапе позволит сократить ежегодное потребление кокса на 2,4 млн т, ПГ-на 1,1 млрд м3, обеспечить снижение себестоимости производимого чугуна на 1,4 млрд грн. при сохранении базовых производительности доменных печей и качества чугуна. Уже на данном этапе освоения технологии окупаемость дополнительных капитальных вложений, необходимых для строительства пылекомплексов, составит 2-4 года [8].

Освоение второго этапа технологии с расходом ПУТ 150-50 кг/т чугуна и заменой до 30-50% кокса также весьма эффективно, однако потребует существенно бoльших времени и затрат, поскольку связано с соответственным увеличением мощности пылеугольного комплекса, значительным расширением номенклатуры и повышением эффективности компенсирующих мероприятий. С использованием рекомендаций по теории компенсации в ЗАО "Донецксталь"-МЗ" в 2005-2010 гг. освоена ПУТ-технология с вдуванием на 1 т чугуна 130-180 кг ПУТ, что позволило сократить расход ПГ на 30-100% и снизить расход кокса на 25-35% (табл. 2).



В зарубежной практике достигнуты существенно бoльшие расходы ПУТ и, соответственно, снижение расхода кокса и доли замены его ПУТ, что объясняется качественно более высоким уровнем компенсирующих мероприятий: качество кокса и железорудной шихты, выход шлака, температура дутья и содержание в нем кислорода и др. (табл. 3) [2].



Замена метода проб и ошибок, наиболее распространенного при освоении ПУТ-технологии, научной методикой, основанной на полной и комплексной компенсации негативного влияния ПУТ на технологию, обеспечит значительное (в разы) сокращение времени освоения проектной мощности пылекомплексов и до 2-4 лет срока окупаемости капитальных затрат на их строительство, существенное повышение эффективности применения ПУТ.

3. Обоснование и расчет оптимального технологического режима с применением ПУТ

Расчет выполнен на основе методики проф. А.Н. Рамма с учетом основных положений теории полной и комплексной компенсации и расчетом определяющих параметров плавки [12].

Выполнено исследование по выбору второго железосодержащего компонента для доменного цеха ЗАО "Донецксталь"-МЗ". Наиболее эффективной оказалась металлодобавка, принятая в расчете в количестве 50 и 100 кг/т чугуна.

Из других компенсирующих мероприятий приняты:

- повышение температуры дутья до 1100 °С, содержания в нем кислорода и увлажнение паром;

- замена части известняка железофлюсом Докучаевского флюсодоломитного комбината (ФДК) (25 кг/т);

- использование современной системы подготовки кокса к плавке и применение коксового орешка (40 кг/т чугуна);

- оптимизация технологического режима с использованием математической модели плавки.

Все мероприятия успешно опробованы в мировой практике, в том числе частично в доменном цехе ЗАО "Донецксталь"-МЗ", их реализация не требует существенных капитальных затрат и времени. В качестве базы принят технологический режим с вдуванием 145 кг/т чугуна ПУТ (январь-март 2010 г.) (табл. 4).



Из табл. 4 следует, что реализация оптимального варианта технологии с вдуванием 180 кг ПУТ на 1 т чугуна обеспечит прирост производства на 21,5%, снижение расхода кокса и орешка до 348,4 кг/т чугуна, условного топлива до 528,3 кг/т, себестоимости чугуна на 184,1 грн/т.

Компенсирующие мероприятия в данном варианте технологии обеспечили снижение выхода шлака на 20,6 кг/т чугуна, горновых газов на 334,4 м3/т чугуна, сохранение в допустимых пределах значений основных определяющих параметров плавки (см. табл. 4).

Выводы

1. Технология доменной плавки с вдуванием в горн ПГ, требующая ежегодно на ее реализацию в Украине 2-2,5 млрд м3 ПГ, в сложившихся конъюнктурных и технологических условиях менее эффективна по сравнению с вдуванием ПУТ. Определяющими показателями, характеризующими преимущества ПУТ по сравнению с ПГ, являются возможность замены ПУТ в 2-3 раза бoльшего количества кокса, меньшая стоимость по сравнению с коксом и ПГ, наличие значительных запасов углей для приготовления ПУТ, отвечающих требованиям доменной технологии.

2. В настоящее время в Украине созданы необходимые предпосылки для внедрения ПУТ-технологии: разработано и освоено в промышленных условиях оборудование для реализации процесса, имеются ресурсы углей для его реализации, освоена технология доменной плавки с вдуванием в горн до 120-180 кг ПУТ на 1 т чугуна, подтвердившая высокую экономическую эффективность мероприятия за счет значительного сокращения или вывода из состава дутья ПГ, снижения расхода кокса на 25-35%.

3. Анализ состояния украинской и зарубежной черной металлургии показывает, что качественное повышение рентабельности черной металлургии в Украине невозможно без исключения использования ПГ, в первую очередь в доменной технологии; повышения прочностных показателей качества кокса и его фракционного состава за счет улучшения марочного состава коксошихт и современной подготовки кокса к доменной плавке; массового (150-250 кг/т чугуна) применения ПУТ, приготовленного из недефицитных, неспекающихся и дешевых углей (А, Т, Г), и, в итоге, снижения расхода кокса с 450-550 кг/т чугуна до мирового уровня 250-350 кг/т чугуна.



БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Курунов И. Ф. Доменное производство Китая, Японии, Северной Америки, Западной Европы и России / Труды Междунар. конгресса доменщиков “Доменное производство – ХХI век”. Москва, 12?16 апреля 2010 г. М.: Издательский дом “Кодекс”. 2010. С. 6-18.

2. Доменное производство Японии в новом столетии, исследования и технические разработки / ОАО “Черметинформация” // Новости черной металлургии за рубежом. 2007. № 4. С. 22-31.

3. Ярошевский С. Л., Кузнецов А. М., Афанасьева З. К. Резервы эффективности комбинированного дутья в доменных цехах Украины. Донецк: Норд Компьютер. 2006. - 31 с.

4. Основи хімії і фізики горючих копалин / В. І. Саранчук, М. О. Ільяшов, В. В. Ошовський, В. С. Білецький. Донецьк: Східний видавничий дім. 2008. 640 с.

5. Ярошевский С. Л. Перспективы и эффективность доменной технологии определяются степенью замены кокса пылеугольным топливом / Доклад на конференции “Пылеугольное топливо - альтернатива природному газу при выплавке чугуна”, г. Донецк, 18-21 декабря 2006 г. Донецк, 2007. - 21 с.

6. Савчук Н. А., Курунов И. Ф. Доменное производство на рубеже ХХI века / ОАО “Черметинформация” // Новости черной металлургии за рубежом. Приложение 5. 2000. Ч. ІІ. -42 с.

7. Золотухин Ю. А., Андрейчиков Н. С., Куколев Я. Б. Требования к качеству кокса для доменных печей, работающих с различным удельным расходом пылеугольного топлива // Кокс и химия. 2009. № 3. С. 25-31.

8. Ярошевский С. Л. Пылеугольное топливо - реальная и эффективная альтернатива природному газу в металлургии. Донецк: Норд Компьютер. 2006. 16 с.

9. Использование вдувания пылеугольного топлива для оптимизации работы доменной печи / Б. Параманатан, Д. Плой, М. Геердес и др. // Сталь. 2005. № 10. С. 38-44.

10. Технология выплавки чугуна с вдуванием пылеугольного топлива и природного газа на дутье, обогащенном кислородом / А. Н. Рыженков, Б. П. Крикунов, В. М. Замуруев и др. // Там же. № 12. С. 3-6.

11. Исследование технологии доменной плавки при вдувании в горн пылеугольного топлива, природного газа и дутья, обогащенного кислородом / А. Н. Рыженков, С. Л. Ярошевский, В. М. Замуруев и др. // Металлург. 2006. № 5. С. 41-44.

12. Рамм А. Н. Современный доменный процесс. М.: Металлургия. 1980. - 304 с.

13. Эффективность применения кокса улучшенного качества (“Премиум”) при работе доменных печей с применением пылеугольного топлива / Ю. Ф. Филатов, А. Н. Рыженков, А. В. Емченко и др. // Черная металлургия: Бюл. ин-та “Черметинформация”. 2011. № 1. С. 30-40.