Исследование полноты сгорания пылеугольного топлива, вдуваемого в доменную печь

Кочура В.В., Ярошевский С.Л., Конченко Е.В.

Источник: III Міжнародна науково-практична конференція «Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення»: Зб. наук. cт. У 2-х т. Т.2/ УкрНДІЕП.- Х.: Райдер, 2007.с.-327-332.

Кочура В.В., канд. техн. наук, Ярошевский С.Л., докт. техн. наук, Конченко Е.В.
            Донецкий национальный технический университет, г. Донецк, Украина

  ИССЛЕДОВАНИЕ ПОЛНОТЫ СГОРАНИЯ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА, ВДУВАЕМОГО В ДОМЕННУЮ ПЕЧЬ

III Міжнародна науково-практична конференція «Екологічна безпека: проблеми і шляхи вирішення»: Зб. наук. cт. У 2-х т. Т.2/ УкрНДІЕП.- Х.: Райдер, 2007.с.-327-332.

Вдувание пылеугольного топлива (ПУТ) в доменную печь является эффективной технологией с точки зрения снижения себестоимости чугуна, повышения производительности печи и защиты окружающей среды. Первая в Европе промышленная установка по приготовлению и вдуванию ПУТ была построена в 1980 году на Донецком металлургическом заводе (ДМЗ). После 20 летней эксплуатации она была реконструирована и введена в работу 22 августа 2002 года.

Начиная с 80-х годов в странах Европы и Азии основным видом вдуваемого топлива становится уголь. В настоящее время более 100 пылеугольных комплексов работают в странах Европейского Союза, Китае, Японии, Корее, США и других странах. Более половины годовой выплавки чугуна в мире производится с вдуванием ПУТ. Совершенствование техники и технологии вдувания пылеугольного топлива привело к достижению стабильных расходов его на уровне 150-200 кг/т чугуна.

Сейчас все металлургические заводы Украины проявляют повышенный интерес к данной технологии. Однако эффективность использования дорогостоящих пылеугольных установок может быть достигнута только при вдувании больших расходов угольной пыли.

Отечественный и зарубежный опыт показывает, что одним из важнейших условий использования пылеугольного топлива в доменной плавке является обеспечение его полного сгорания в пределах фурменных зон.

Для контроля полноты сгорания ПУТ в фурменной зоне доменной печи применяют различные способы и устройства. Одним из таких методов является скоростная киносъемка фурменной зоны [1,2]. Так, в США с помощью киносъемки установлено, что частицы угольной пыли сгорают на расстоянии 300-400 мм от носка фурмы [2]. Аналогичные результаты получены в Китае при вдувании в горн 270 кг ПУТ на 1 т чугуна [3]. Применяемая в США аппаратура для определения полноты сгорания очень сложна и обеспечивает лишь качественную оценку.

Наиболее достоверные результаты могут быть получены зондированием горна с непосредственным отбором проб материалов. Институтом IRSID совместно с фирмой "Solmer" разработано и внедрено устройство для зондирования горна доменной печи трубой диаметром 90 мм с гидравлическим усилителем до 10 т на глубину 6 м [4,5]. На доменной печи №5 завода Chiba фирмы "Kawasaki Steel" установлен косой зонд, который вводят через отводную трубку, примыкающую к соплу, под углом к оси фурмы [6]. Это позволило исключить нарушение процессов в зоне циркуляции при вводе зонда, а также проводить замеры в пространстве между соседними фурменными зонами. Замеры можно производить на расстоянии до 3 м от фурмы. С помощью зонда можно отбирать пробы газа, пыли, расплавленного металла и шлака, замерять температуру, а также проводить наблюдения за состоянием внутри доменной печи с использованием оптического волокна и телекамеры. Имеется возможность ввода зонда под углом через соседнюю фурму [7-8].

Количественный метод определения полноты сгорания топлива в фурменных зонах разработан проф. Ярошевским С.Л. и испытан в условиях ДМЗ [9]. Эксперименты по определению полноты сгорания ПУТ проводили с помощью водоохлаждаемой трубы-зонда. Расход ПУТ во время исследований составлял 50, 100 и 150 кг/т чугуна. Микроструктурный анализ большого количества проб материалов, отобранных из различных точек горна, показал, что уже на срезе фурм размер частиц угольной пыли уменьшается. Полное сгорание ПУТ происходит на расстоянии 0,6-0,8 м от среза фурмы. Интенсивное горение пылеугольного топлива начинается еще до его поступления в фурменную зону: на срезе фурмы сгорает 50-70% топлива. При увеличении расхода ПУТ значительно расширяется зона распространения частиц топлива в горне.

Известны также способы косвенного определения полноты сгорания угольной пыли аналитическим способом и по анализу продуктов плавки [10-13].

Для определения полноты сгорания ПУТ в условиях фурменных зон доменной печи №2 ДМЗ в 2003-2005 гг. использовался петрографический анализ содержания несгоревших частиц ПУТ в колошниковой пыли и шлаке, а также химический анализ доменного шлака и колошниковой пыли. Суть петрографического анализа состоит в сравнении частичек углерода кокса и ПУТ, которые имеют различную форму и размеры. Конечно, эти отличия наиболее четко проявляются в исходном состоянии, а после протекания физико-химических превращений в доменной печи указанные различия в значительной степени нивелируются.

Доменная печь № 2 полезным объемом 1033 м3, введенная в эксплуатацию после капитального ремонта I разряда в апреле 2002 г., выплавляла передельный чугун из привозных агломератов и окатышей, доля последних в шихте изменялась от 35 до 65 %. С декабря 2002 г. для повышения стабильности химического состава железорудной шихты в качестве основных компонентов стали использовать окатыши ОАО “ЛебГОК” и агломерат ОАО “ЮГОК” В качестве основного топлива использовали кокс Донецкого участка Рутченковского КХЗ [14].

Показатели качества ПУТ характеризовались высокой тониной помола, низкой и устойчивой влажностью (рис.1). По мере освоения узла приготовления ПУТ и улучшения угольной базы, улучшился химический состав ПУТ. Средний медианный размер частиц ПУТ изменялся в пределах от 10 до 40 мкм.

Рисунок 1 - Технический анализ и помол ПУТ

Методика исследования основывалась на определении оптических и других свойств минералов (их искусственных аналогов и некристаллических фаз), а также морфологии, структуры, степени кристалличности [15,16].

Объектом исследования являлся полированный шлиф площадью 1-2см2, изготовленный на основе эпоксидной смолы из пробы анализируемого материала (угля, кокса, колошниковой пыли и шлака).

При микроскопическом изучении выполнялся подсчет объемных процентов содержания основных компонентов. Использовался один из общепринятых при минералогическом анализе – линейный метод. Вдоль системы параллельных линий, расположенных через 1 мм, подсчитывали суммарную длину пересечений каждого компонента. Объемный процент компонента определяли по сумме длин пересечений, деленной на общую длину пересечений всех компонентов.

Результаты подсчетов основных компонентов, содержащихся в колошниковой пыли, отобранной на доменной печи №1 (ДП-1), работающей без вдувания ПУТ и №2 (ДП-2) – с вдуванием 90-130 кг ПУТ на 1 т чугуна, приведены в таблице 1.

Таблица 1 - Основные компоненты колошниковой пыли

Из табл.1 видно, что в колошниковой пыли преобладает кокс (до 70%) в виде частичек в десятые-сотые доли мм, в различной степени графитизированный. В этом отношении он не отличается от пылеватых частиц кускового кокса.

Второй по распространенности компонент – магнетит, чаще всего встречающийся со шлакообразующими компонентами (стекло и поликристаллические образования). Микроструктура свидетельствует о его образовании при перекристаллизации шихты в пластичном состоянии или при кристаллизации (кристаллы в массе стекла) или при кристаллизации из силикатного расплава (дендриты). Магнетит нередко замещается гематитом – частично или полностью. Шлакообразующие компоненты в виде стекла или поликристаллических масс часто содержат микроскопические капли металла (1 – 10 мкм).

Частицы угольной пыли практически не отличаются от исходного пылеугольного топлива. В отличие от кокса частицы угля не содержат пор и не графитизированы. Их отражательная способность и твердость значительно ниже, чем у кокса. Графит в виде пластинок размером до 0,4 - 0,02 мм не связан с другими компонентами и по морфологии резко отличается от графитизированных корочек на коксе. В небольшом количестве отмечается карбонат (ромбоэдрические осколки по спайности до 0,2 мм) и лимонит (Fe2O3•Н2О).

Соотношение объемов углеродсодержащих компонентов в колошниковой пыли соответствует: кокс - 96,9%; уголь - 1,2%; графит - 1,9%.

Микроструктура колошниковой пыли, отобранной на ДП-1, отличалась отсутствием несгоревшего угля и графита.

Исследования выноса колошниковой пыли, углерода в колошниковой пыли и удельного выноса углерода с колошниковой пылью проводились на ДП-1 и ДП-2 в 2003 - 2005г. Вынос колошниковой пыли за время исследований изменялся в диапазоне от 73 до 194 т/т чугуна на ДП-1 и от 72 до 145 т/т чугуна на ДП-2, а химический анализ колошниковой пыли по углероду - от 7,4 до 19,07 %. Вынос углерода с колошниковой пылью на тонну кокса на ДП-2 оставался ниже или незначительно превышал вынос углерода на ДП-1, что свидетельствовало о достаточно полной газификации углерода ПУТ в фурменных зонах ДП-2.

Исследования содержания углерода в доменном шлаке при вдувании ПУТ на ДП-2 и без вдувания ПУТ на ДП-1 проводились на основании химического анализа шлака на углерод и петрографического анализа. Незначительный прирост содержания углерода в шлаке на 0,004-0,033 % на ДП-2 свидетельствует, что процесс горения ПУТ в фурменных зонах не ухудшился, сохранился на достаточно высоком уровне.

Проведенные исследования показали, что для контроля полноты сгорания ПУТ могут быть использованы как методы непосредственного определения несгоревших частиц угля в фурменной зоне путем зондирования горна с отбором проб материалов и газов, так и косвенные методы, основанные на петрографическом и химическом анализе продуктов плавки; сравнение петрографического и химического анализа колошниковой пыли и доменного шлака, отобранных на доменных печах №2 и №1 ЗАО «ДМЗ», соответственно с вдуванием и без вдувания ПУТ, свидетельствует о достаточно полной степени газификации частиц угля в доменной печи при расходах ПУТ 90 - 130 кг/т чугуна.

Список литературы:

1. Вегман Е.Ф., Мишин Ю.П, Пареньков А.Е. Скоростная киносъемка фурменной зоны действующей доменной печи// Работа фурменной зоны доменных печей. – Свердловск.- 1985. – С.3-4.

2. Zhang S., Bi X. Theoretical consideration of problems relating to high coal rate injection into blast furnaces// Ironmaking and Steelmaking. - 2003. - V.30. - No.6. - P.467-474.

3. Characteristic of 200 kg/t HM PCI and low coke rate of BF in Baosteel/ Z.Renliang, G.Kezhong// 59th Ironmaking conference proceedings. - Pittsburgh (USA). - 2000. – P.321-326.

4. Helleisen M., Nicolle L., Metz B. Sondages dans I'homme mort du haut fourneau a travers une tuyer//Rev. met. – 1987. - 84. - №11. - P.747-758.

5. Fundamental aspects and industrial practice of high coal injection in the blast furnace within Usinor Sacilor group/D.Lao, J.Eymond, C.Eibes, et al.// The first international congress on science and technology of ironmaking.- Sendai (Japan).- 1994.- P.517-522.

6. Sideways tuyere probe for measuring blast furnace raceway zone/ T. Kahji, T. Seyi, H. Takao, e.a.// Kawasaki Steel Nechn. Rept. – 1998. - №19. – P.123-125.

7. Investigation of combustion behavior of a PCI coal and unburnt char carryover in a US Steel blast furnace// V.Sahajwalla, C.Kong, l. Lu, et al.// 60th Ironmaking Conference Proceeding.- Baltimore (USA).- 2001.- P.451-458.

8. Langer K. Injection of pulverized coal at Thyssen Krupp Steel// Stahl and eisen. -2005. - No.11. - P.591-594.

9. Ярошевский С.Л., Анисимов А.Т. Изучение процесса горения дополнительного топлива в фурменных зонах доменной печи// Сталь. – 1985. - №2. – С.9-13.

10. Бабий В.И., Куваев Ю.Ф. Горение угольной пыли и расчет пылеугольного факела. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 208с.

11. Расчетная оценка режима и полноты сгорания пылеугольного топлива в доменной печи/ В.Н.Андронов, В.В.Степанов, А.И. Бабич, В.В. Кочура// Технология выплавки чугуна. - М.: Металлургия, 1989.- С. 39-42.

12. Бабич А.И. Интенсификация процессов сжигания пылеугольного топлива в доменной печи// Изв. Вузов. Черная металлургия.- 1991.- №1.-С.12-15.

13. Ноздрачев В.А., Ярошевский С.Л., Терещенко В.П. Перспективные технологии доменной плавки с применением кислорода и пылеугольного топлива.– Донецк: Новый мир, 1996. – 173 с.

14. Технология доменной плавки с вдуванием пылеугольного топлива и природного газа на дутье, обогащенном кислородом/ А.Н. Рыженков, С.Л. Ярошевский, Б.П.Крикунов, В.М. Замуруев, В.Е. Попов, В.В. Кочура// Сталь.- 2005 . – №12. – С. 3 6.

15. Перепелицин В.А. Основы технической минералогии и петрографии. – М.: Недра, 1987.- 255с.

16. Юшко С.А. Методы лабораторного исследования руд. - М.: Недра, 1984.-389с.