Актуальность и научная новизна

Доменный процесс является в настоящее время единственным процессом производства чугуна, применяющемся в промышленном масштабе на территории Украины и стран СНГ. В мире существуют процессы бескоксового получения железа, однако их процент невелик.

Кокс в свою очередь является основным источником топлива в процессе доменной плавки. Однако в последнее время все большее внимание стало уделяться проблеме снижения расхода кокса и замене его альтернативными источниками. Наиболее широко для этой цели используют в настоящее время природный газ, а также пылеугольное топливо.

Колошниковый газ, образующийся в процессе доменной плавки, может быть использован как альтернатива природному газу и другим добавкам. Для этого его необходимо предварительно очистить от окислителей, таких как диоксид углерода. В результате может быть получено газообразное топливо с высокой восстановительной способностью.

В настоящее время доменный процесс с рециркуляцией колошникового газа нигде в мире в промышленных масштабах не применяется. Однако ряд опытов, проведенных в данном направлении и расчеты показывают, что в результате применения отмытого от окислителей доменного газа, возможно снижение расхода кокса и повышение производительности доменной печи.

Цели:

• Разработка технологии доменной плавки с вдуванием очищенного от окислителей колошниковог газа.
• Иследование покзателей доменного процессса.

Задачи:

• Определение наиболее рационального метода очистки колошникового газа от окислителей.
• Определение степени снижения расхода кокса в процессе доменной плавки.
• Исследование изменения производительности домееной печи.

Введение

Доменное производство является основным потребителем коксующихся углей. Однако проблема постепенного исчерпания природных ресурсов поставила задачу поиска альтернативных источников топлива, для использования в процессе доменной плавки. Побудительной причиной поиска дополнительных восстановителей для доменной плавки является также то, что коксохимическое производство является одним из наиболее экологически вредных производств черной металлургии и существенно снизить его влияние на окружающую среду не удается. Поэтому применение в качестве топлива для доменного процесса вторичных энергетических ресурсов положительно с точки зрения и экологии и технологического процесса.

В качестве альтернативных источников в настоящее время применяются различные дутьевые добавки - кокосовый газ, природный газ, мазут, пылеугольное топливо, колошниковый газ. При вдувании в доменные печи различных добавок преследуется, прежде всего, цель экономии дефицитного кокса.

Наиболее целесообразно использование коксового и колошникового газа, так как эти газы являются продуктами плавки, в то время как природный газ и пылеугольное топливо – исходными природными ресурсами, количество которых также ограничено. Еще одним преимуществом их использования является более низкая стоимость, чем у природного сырья.

При вводе в горн печи добавок, содержащих углерод и водород в результате увеличения количества и концентрации восстановителей в горновых газах, а также уменьшения доли кокса в столбе шихты снижается степень прямого восстановления и теплопотребность процесса. Сжигание добавок у фурм сопровождается выделением тепла, а образующиеся при этом газы уносят его часть в колошники. Таким образом, коэффициент замены кокса складывается из двух составляющих: экономии кокса от снижения степени прямого восстановления; снижения (повышения) расхода кокса от изменения количества вносимого в печь и уносимого из нее тепла. Влияние подачи дутьевых добавок на производительность печи зависит от количества и состава печных газов, а также от доли кокса в столбе шихты.

При вдувании в доменные печи различных топливных добавок преследуется, прежде всего, цель экономии кокса за счет использования менее дефицитных видов топлива – природного газа, мазута угольной пыли, колошникового газа и других горячих восстановительных газов.

Нижняя ступень теплообмена, или зона прямого восстановления железа, является определяющей в расходе кокса. Увеличения восстановительной способности газов путем введения углеводородного топлива связано с повышением концентрации СО и Н₂. В этом же направлении действует обогащение дутья кислородом.

Водород в значительной степени увеличивает скорость восстановление рудного материала. С ростом содержания восстановительных газов и их давления степень косвенного восстановления железа увеличивается, что обычно приводит к уменьшению расхода кокса. Однако влияние вдуваемого топлива и других факторов неоднозначно сказывается на работе печи и экономии топлива. Между количеством вдуваемого топлива, расходом кислорода, температурой подогрева и влажностью дутья должны быть установлены определенные соотношения, при которых условия работы печи оптимальны. Они соответствуют определенному температурному состоянию нижней ступени теплообмена печи и ее газодинамическому режиму.

Как уже отмечалось выше, наиболее целесообразно вдувать очищенный колошниковый газ.

Доменный, или колошниковый, газ является побочным продуктом доменного производства. Это низкокалорийный газ, содержащий около 30-35% горючих составляющих и большое количество балласта (азота и углекислоты). Состав и основные характеристики доменного газа зависят от состава шихты и хода плавки. Для интенсификации доменного процесса и сокращения расхода кокса существует много различных мероприятий: повышение давления, температуры и влажности доменного дутья, обогащения дутья кислородом, вдувания в горн различных газо-дутьевых добавок. В результате совокупного действия этих факторов, оказывающих в некоторых случаях противоположное влияние, в составе доменного газа повышается содержание водорода с одновременным уменьшением СО, вследствие чего теплота сгорания его изменяется мало и составляет около 3500-4000 кДж на кубометр.

Очистка колошникового газа

Перед вдуванием в доменную печь колошниковый газ необходимо очистить. На первом этапе газ проходит стандартную трехступенчатую очистку от пыли: грубую, полутонкую и тонкую.

Разработаны две схемы очистки доменного газа – мокрая и сухая.

Окончательная очистка доменного газа осуществляется в скоростном пылеуловителе с трубами Вентури. В трубе или трубах Вентури (в зависимости от объема доменной печи) происходит укрупнение мелкодисперсной пыли. Наиболее укрупненная пыль и капли жидкости выводятся из газа в инерционном пыле- и брызгоуловителе. А окончательная очистка газа от пыли до требуемого конечного пылесодержания осуществляется в центробежном скруббере. Очищенный газ отводится в коллектор чистого газа и оттуда подается потребителям. Для повышения давления газа в доменной печи перед центробежным скруббером установлена дроссельная группа.

Вдувание очищенного колошникового газа в доменную печь

Вдувание полученного путем очистки (отмывки) колошникового газа от диоксида углерода по прогнозам приводит к снижению расхода кокса до 300-350 кг/т и менее. Схема очистки колошникового газа и вдувания его в доменную печь приведена на рисунке 1.

При использовании очищенного колошникового газа предполагается почти полностью исключить использование более дефицитного природного газа и снизить затраты на производство чугуна.

Основные требования к восстановительному газу: максимальная концентрация в нем оксида углерода и водорода при минимальном содержании диоксида углерода, воды, метана и сажи. Восстановительный газ может быть получен путем конверсии углеводородного топлива и газификации угля кислородом, углекислым газом и паром. Кислородная конверсия по капитальным затратам и эксплуатационным расходам является наиболее экономичной. Объясняется это простотой конструкции установки и отсутствием катализаторов. Процессы паровой и углекислотной конверсии значительно сложнее в обслуживании и для их проведения требуется установка громоздкой аппаратуры, что не всегда компенсируется более высокими восстановительными свойствами получаемых газов.

Эффективность повышения восстановительного потенциала колошникового за счет конвертирования природного газа в значительной степени зависит от содержания в нем азота, т.е. от обогащения доменного дутья кислородом.

Развитие мембранной технологии, плазмохимии, а также совершенствование каталитических процессов и катализаторов в перспективе позволяет уменьшить габариты установок подготовки колошникового газа для повторного использования его в доменных печах. Например уже в настоящее время разработан экономичный и экологически чистый способ очистки продуктов сгорания от СО₂ с применением твердых сорбентов – синтетических цеолитов, используемых в режиме кипящего и термопсевдоожиженного слоя с рециркуляцией цеолита в системе – десорбер, который может быть использован и для очистки колошникового газа.

Предложено множество схем конверсии различного топлива и отмывки колошникового газа от диоксида углерода. Часто отмывка колошникового газа совмещается с отмывкой продуктов конверсии другого топлива, богатого СО и водородом, вводимого в циркулирующий поток колошникового газа.

Целесообразно и обогащение (до 10 %) отмытого газа природным газом. Возможно использование горячих восстановительных газов, полученных из колошникового газа.

Горячие восстановительные газы

Способы производства горячих восстановительных газов из колошникового газа существенно отличаются от способа их производства методами конверсии газов, жидкого топлива, газификации твердого углерода. Возможность повторного использования колошникового газа в технологическом процессе на протяжении ряда лет были предметом внимания многих исследователей.

В настоящее время использование колошникового газа предусматривает его очистку от окислителей методом их взаимодействия со специально вводимыми реагентами и удаления продуктов взаимодействия из дальнейшего участия в процессе. При последующем нагреве очищенный колошниковый газ позволяет получить горячие восстановительные газы, которые лишены основных недостатков, присущих газам, полученным методом конверсии: не происходит выпадение сажи, значительно увеличивается стабильность состава газа, существенно уменьшается количество окислителей. В получении горячих восстановительных газов из колошникового газа есть еще одно значительное преимущество.Дело в том, что в лабораторных и даже полупромышленных масштабах при разработке способов производства горячих восстановительных газов метолами конверсии природного газа получаемый газ отвечал основным требованиям доменного процесса, однако, при производстве в увеличенных количествах, соизмеримых с потребностью доменных печей, выявлялись многие из указанных ранее недостатков. При производстве же горячих восстановительных газов методами очистки колошникового газа от окислителей большинство недостатков в промышленном масштабе может быть ликвидировано полностью (выпадение сажи), либо в значительной степени уменьшено (колебания в содержании отдельных составляющих, содержание окислителей).

Заслуживает внимания способ производства горячих восстановительных газов в рециркуляционном цикле методом очистки колошникового газа с помощью моноэтаноламина.

Для очистки газа от СО₂ применяют растворы этаноламинов (аминоспиртов), которые обладают щелочными свойствами и при взаимодействии с кислотами образуют соли. Обычно используют водные растворы моноэтаноламина СН₂ОН-СН₂-NH₂, диэтаноламина (СН₂ОН-СН₂)₂NH и триэтаноламина (СН₂ОН-СН₂)₃N. Наиболее сильным основанием среди этаноламинов является моноэтаноламин, который нашёл широкое применение в промышленности для очистки газов. При абсорбции СО₂ растворами этаноламинов образуются карбонаты и бикарбонаты. Попутно может абсорбироваться сероводород, и образовываться сульфиды и бисульфиды. Эти соединения при температуре выше 100°С диссоциируют с выделением из растворов СО₂ и H₂S. Взаимодействие моноэтаноламина RNH₂ (где R - группа СН2ОН-СН2) с двуокисью углерода может быть представлено следующими реакциями:

2RNH₂ + Н₂О + СО₂ = (RNH₃)₂СО₃

(RNH₃)₂СО₃ + Н₂О + СО₂ = 2RNH₃Н₂СО₃

При поглощении двуокиси углерода водным раствором моноэтаноламина выделяется 66 кДж/моль тепла, при абсорбции сероводорода - 65 кДж/моль. При совместном поглощении СО₂ и H₂S растворимость каждого компонента уменьшается. Несмотря на то, что поглотительная способность раствора моноэтаноламина по отношению к H₂S в присутствии СО₂ снижается, коэффициент абсорбции H₂S значительно выше, чем СО₂, и возможна избирательная абсорбция сероводорода из конвертированного газа, содержащего двуокись углерода. Поглотительная способность абсорбента возрастает с понижением температуры и повышением давления. При повышении температуры и понижении давления равновесие химических реакций, протекающих при абсорбции, сдвигается влево. На этом основана регенерация раствора МЭА, насыщенного кислыми газами при абсорбции. Насыщенный раствор нагревают, при этом происходит разложение химических соединений и десорбция кислых газов из раствора, сопровождаемая также испарением из раствора воды. В процессе этаноламиновой очистки газа от СО₂ протекают побочные реакции, вызывающие необратимые изменения состава раствора, снижающие его поглотительную способность и приводящие к потерям амина. Растворы этаноламинов вызывают коррозионное разрушение оборудования в определённых условиях, особенно при высоких степенях насыщения кислыми газами. Подобно растворам аммиака, они разрушающе действуют на медь, цинк и их сплавы. Поэтому аппараты и трубы, соприкасающиеся с растворами аминов, нельзя выполнять из этих металлов. В кипящих водных растворах моноэтаноламина малоуглеродистые стали также подвергаются коррозии под действием СО₂. Присутствие в растворах МЭА посторонних примесей увеличивает скорость коррозии углеродистой стали. Поэтому необходимо применять возможно более чистый моноэтаноламин и систематически подвергать очистке поглотительный раствор путём его перегонки в присутствии щёлочи. Экономичность процесса очистки определяется в основном расходом тепла на регенерацию раствора моноэтаноламина. Снижение расхода тепла на регенерацию раствора в различных технологических схемах МЭА очистки решается различными путями.

Характеристики вдуваемого газа улучшаются, если в рециркуляционный цикл вводить другой газ, имеющий в своем составе или способный дать при реформации, как преобладающую составляющую, восстановительные компоненты. Соотношение восстановителей и азота можно регулировать количеством газа, как вводимого из цикла, так и вводимого дополнительно.

Значительная часть изобретений и патентов по способам производства горячих восстановительных газов относится к использованию для этих целей в рециркуляционном цикле колошникового газа, очищенного от углекислоты. Углекислота из рециркуляционного цикла выводится. Однако во многих схемах не указывается реагент, с помощью которого производится эта очистка. Как правило, предусмотрены меры, направленные на возможно меньшее содержание азота в производимом газе. Для этого, в частности, предусмотрен отбор колошникового газа на определенных участках доменной печи. чаще всего отбирается периферийный га с низким содержанием азота, а в ряде случаев и углекислоты. Другим средством понижения содержания азота, а в некоторых случаях и окислителей во вдуваемом газе является применение дополнительного газа с высоким содержанием окиси углерода и водорода, получаемого из других источников. Для этой цели во многих случаях используют углеводороды. В подавляющем большинстве случаев вдувать газ предложено в шахту печи.

Очевидно, при использовании доменного газа в качестве горячего восстановителя отпуск его заводским потребителям должен быть сокращен, что потребует замены его природным газом. Хотя КИТ при отоплении печей природным газом значительно выше, чем доменным, расход природного газа в целом по заводу при использовании горячих восстановительных газов возрастает эквивалентно снижению расхода кокса с учетом изменения физического тепла вдуваемых газов. Сбережение природного газа, который в настоящее время уже нельзя считать недефицитным топливом, может быть достигнуто использованием в качестве горячих восстановительных газов продуктов конверсии энергетических или других некоксующихся углей. В этом случае проблема снижения расхода кокса решалась бы одновременно с проблемой сокращения потребления природного газа. Промышленные испытания в этом направлении уже поводились в ряде стран.

Доменный процесс с вдуванием колошникового газа, очищенного от окислителей, таких как двуокись углерода и вода, в рециркуляционном режиме является более устойчивым по сравнению с обычным, так как изменение количества восстановителей, вносимых в печь с вдуваемым газом, вызванное колебанием степени непрямого восстановления, действуем на изменение степени непрямого восстановления в противоположном направлении, что обеспечивает саморегулирование процесса.

Из всех возможных способов ведения плавки в режиме рециркуляции наиболее целесообразно поддержание постоянного расхода дутья и неочищенного от окислителей колошникового газа.

Регулирование процесса легче осуществлять при меньшем времени оборота газа, т.е. при меньшей протяженности трубопроводов и емкости газоочистки.

Существуют различные варианты вдувания очищенного колошникового газа в доменную печь:

1. В шахту доменной печи.

2. В фурмы доменной печи.

Определение показателей доменной плавки

С помощью программы расчета основных показателей доменной плавки по методу профессора А.Н. Рама был проведен расчет изменения расхода кокса и производительности, результаты которого отображены на графике.

Из графика видно, в результате вдувания колошникового газа расход кокса снижается на 1 %, а производительность увеличивается. Однако при вдувании газа в размере более 80 м³/ т чугуна расход кокса постепенно начинает увеличиваться, а производительность снижается.

Выводы

Таким образом, вдувание колошникового газа, очищенного от окислителей положительно влияет на процесс доменной плавки, снижает расход кокса, что выгодно с экологической и экономической точки зрения. Применение в качестве альтернативы кокса отмытого от диоксида углерода колошникового газа - новое перспективное решение, дающее возможность сделать доменную плавку максимально замкнутой. Образующийся колошниковый газ полностью возвращается в печь.

Список литературы:

1. Корнев В.К., Степин Г.М. Исследование устойчивости доменного процесса при рециркуляции колошникового газа// Сталь. - 1979, №4-с.199-205
2. Товаровский И.Г., Лялюк В.П. Эволюция доменной плавки.- Днепропетровск: Пороги, 2001.-423 с.
3. Курнов И.Ф. Качество кокса и возможности снижения его расхода в доменной плавке // Металлург. - 2001, №11-с.39-46
4. Шульц Л.А. Элементы безотходной технологии в металлургии.-М: Металлургия, 1991.-174 с.
Старк С.Б. Газоочистные аппараты и установки в металлургическом производстве. – М.: Металлургия, 1990. – 400 с.
5. Тихомиров Е.Н. Восстановительные газы и кислород в доменном производстве. – М.: Металлургия, 1982. – 104 с.