С.н.с., к.т.н., Должиков В.В., доц., к.т.н., Шур А.Б.
(ДонГТУ, г. Алчевск, Украина)
В себестоимости чугуна около 50% затрат на ее выплавку связаны с расходуемым твердым топливом - коксом. Предложения по вдуванию различных видов топлив в горн доменных печей с целью его экономии практически реализуются с 50-х г.г. XX в. Преобладающее значение приобрели природный газ и пылеугольное топливо (ПУТ). Вдувание ПУТ дает значительный экономический эффект, но требует реализации дорогостоящих проектов по реконструкции существующего и созданию нового оборудования.
Украина пользовалась дешевым природным газом российских и туркменских месторождений, что обусловило разработку и повсеместное применение технологии доменной плавки с вдуванием именно его. Однако, в настоящее время цены на него существенно выросли, и сложившаяся структура топливного баланса металлургических предприятий с использованием природного газа в качестве заменителя кокса стала неэффективной [1].
Альтернативным заменителем кокса в доменной плавке может быть доменный газ. Его вдувание привлекательно по нескольким причинам:
- стоимость в несколько десятков раз ниже, чем природного газа;
- отсутствие дефицита:
- возможность максимального использования тепловой мощности воздухонагревателей и обогащения дутья кислородом.
В работе [2] рассмотрен вопрос вдувания доменного газа в смеси с природным или вместо него. Балансовыми расчетами показана возможность полного исключения добавок природного газа, при сохранении постоянного расхода кокса, но существенном (на 150 - 200?С) увеличении температуры дутья. Подачу доменного газа предложено осуществлять так же, как и природного, через дутьевую фурму. Необходимость компримирования доменного газа - существенный недостаток этого варианта, так как он требует использования дорогого оборудования.
Технологические трудности использования доменного газа в доменной плавке связаны с двумя причинами.
Во-первых, в горне доменной печи должна поддерживаться приблизительно постоянная теоретическая температура горения топлива – Т1, при поступлении количества тепла необходимого для ведения процесса. Восстановление СО2 и Н2О доменного газа требует больших затрат тепла, что является причиной снижения Т1. Эти затраты реально могут быть компенсированы повышением температуры дутья и, если это возможно, подогревом доменного газа перед подачей в печь. Существенно влияет на теоретическую температуру горения и обогащение дутья кислородом.
Во-вторых, давление доменного газа в газопроводе значительно ниже, чем в горне печи. Поэтому для подачи в печь доменный газ необходимо компримировать, затрачивая электроэнергию. В связи с взрывоопасностьо доменного газа, для этого потребуется применять специальные компрессоры.
Таким образом, эффективный способ использования доменного газа должен:
- предусматривать подачу газа и печь без компримирования;
- возможность нагрева ею до высокой температуры;
- возможность сопутствующего повышения температуры дутья и обогащения его кислородом.
Почти всем этим условиям отвечает способ подачи доменного газа на всас воздуходувки. Доменный газ в смеси с воздухом и кислородом по воздухопроводу подается в воздухонагреватель. При температуре около 500°С, произойдет воспламенение и сгорание доменного газа. Продукты горения в смеси с воздухом нагреваются в воздухонагревателе до температуры дутья и подаются в печь. Таким образом в составе дутья появится СО2 и изменятся количества кислорода, азота и влаги. Количественный состав – зависит от обогащения дутья кислородом и добавки доменного газа. Для оценки результатов плавки по предложенному способу и сравнения с описанными, в литературе технологиями провели серию расчетов по специально разработанной методике.
В основе алгоритма положена модель с сосредоточенными параметрами (МСП) [3,4], основанная на зональном тепловом балансе, где расход кокса определяется балансом тепла нижней ступени теплообмена. Технологическая идеология и основные расчетные соотношения заимствованы из метода A.Н. Римма [5].
В отличие от обычных методик расчета, в том числе и прототипа [5], в данной модели рассчитываются не абсолютные значения показателей, а их изменения при изменении входных факторов, что позволяет более адекватно учитывать обратные связи процесса. Для выполнения расчета необходимо иметь показатели базового режима, полученные в известных условиях доменной плавки. До использования в расчете они подвергаются балансовой проверке и (при необходимости) корректировке.
В связи с отсутствием надежной и удобной для использования технологической базы показателей работы па атмосферном дутье без добавок кислорода и природного газa (имеющийся такого рода опыт многолетней давности не соответствует современным сырьевым и другим условиям),- в качестве базы был использован фактический режим работы на комбинированном дутье. В расчетах на "специальный режим" вначале снижается до нуля расход вдуваемого природного газа (а в некоторых случаях также снижается до 21% содержание кислорода), затем добавляется новое вдуваемое топливо – доменный газ. При этом во всех случаях поддерживается (соответствующей корректировкой температуры дутья) постоянная теоретическая температура горения на фурмах.
Расчеты выполняли для трех вариантов использования доменного газа:
1) вдувание в фурмы компримированного газа;
2) вдувание на всас воздуходувки;
3) вдувание в фурмы газа, отмытого от СО2
и двух вариантов состава дутья:
А) атмосферное дутье;
Б) обогащенное кислородом дутье на уровне исходного режима.
Всего, таким образом, рассмотрено шесть вариантов вдувания доменного газа. Установлено, что все они могут дать экономию кокса в сравнении с плавкой без вдувания газообразных топлив (табл. 1).
Для проведения сравнительной технико-экономической оценки примем, что в исходном режиме достигнута максимальная температура дутья-1053?С (расход природного газа 86,5 м3/(т чугуна), в рассмотренных вариантах он полностью заменен доменным газом). Минимальный расход кокса – около 595 кт/(т чугуна) - может быть достигнут при работе по третьему варианту (при расчетном вдувании более 150м газа/(т чугуна)), но с потерей производительности против исходного режима около 10%. Практически такой же результат по расходу кокса - 600 кг/(т чугуна) - (при расчетном вдувании около 150 м газа/т чугуна) будет получен при работе по второму варианту, но при меньшем снижении производительности - на 5% относительно исходного режима.
По сравнению с базовым режимом (без вдувания топлив) экономия кокса составляет около 60 кг/(т чугуна). Этот результат предполагается дополнительно проверить на модели другого типа.
При переходе на выплавку чугуна без вдувания природного газа (со снижением температуры дутья для сохранения Т1) расход кокса увеличивается на 136 кг/т. Это позволяет грубо оценить коэффициент замены кокса природным газом как 136/86,5 = 1,57, т.е. при соотношении цен природный газ/кокс менее 1,57 вдувание природного газа экономически эффективно. При вдувании доменного газа коэффициент замены 76/150 = 0,50, т.е. вдувание доменного газа экономически эффективно при соотношении цен доменный газ/кокс менее 0,50. Таким образом, если доменный газ в три раза дешевле природного, его использование экономически целесообразно.