Первое заявление о целесообразности повышения давления в доменных печах сделал выдающийся металлург своего времени Генри Бессемер в 1871 г., предполагая, что это приведет к повышению температуры продуктов горения топлива в фурменных очагах. Спустя 44 года П.М.Eсманский в своем докладе в Екатеринославском горном институте обосновывал необходимость повышения давления в доменных печах улучшением распределения газа в печи и более полным восстановлением руды в шахте. В 1938 г. патент США на способ работы доменной печи с повышенным давлением газа получил Джулиан М. Эвери и в том же году опубликовал статью, посвященную влиянию повышенного давления в доменной печи на реакцию газификации углерода. Первые практические попытки повышения давления в доменной печи сделаны в 1940 г. по инициативе И.И.Коробова на заводе им. Петровского и возобновлены в августе 1945 г. В США первые и успешные опыты по повышению давления газа были проведены в апреле 1944 г. В конце 1960 г. в СССР уже 86% чугуна выплавлялось в доменных печах, работающих с повышенным давлением газа.
Работа доменных печей при повышенном (абсолютном - здесь и далее) давлении газа на колошнике до 350 кПа, обогащении дутья кислородом до 35% и удельном расходе природного газа до 150 м3/т чугуна была освоена в 60-70 гг. XX века. В последующие годы развитие доменного производства шло по пути увеличения полезного объема доменных печей, повышения качества сырых материалов и кокса, совершенствования загрузочных аппаратов и технологии загрузки, повышения температуры дутья, автоматизации управления технологическим процессом. За это время объем доменных печей увеличился до 5500 м3 (1984 г). Анализ работы печей различного объема в последующие годы показал, что дальнейшее увеличение объема проблематично и нецелесообразно. В 1960-1971 гг. раccматривалась возможность дальнейшей интенсификации доменного процесса за счет повышения давления газа на колошнике до 600-700 кПа и увеличения степени обогащений дутья кислородом до 40-45%. Проработки показали, что внедрение этой технологии связано с большими техническими трудностями по обеспечению надежности и безопасности эксплуатации конусных загрузочных аппаратов, куполов воздухонагревателей и тракта горячего дутья. В настоящее время, при наличии освоенных бесконусных загрузочных устройств различного типа, малогабаритных воздухонагревателей с купольными газогорелочными устройствами и технологии подачи части кислорода в смеси с природным газом непосредственно в фурмы, возможности повышения давления на колошнике до 600 кПа и обогащения дутья до 40-42% представляются реальными.
В качестве альтернативы гипертрофии роста объема доменных печей проработана технология интенсификации доменного процесса, увеличения производительности доменных печей и снижения удельного расхода дефицитного и перманентно дорожающего кокса за счет соответствующего увеличения давления газа на колошнике, обогащения дутья кислородом и расхода природного газа. Влияние повышения давления в доменной печи на ее производительность и на удельный расход кокса, как известно, зависит от начальных условий работы печи, уменьшаясь с их улучшением. С ростом давления газа на колошнике от 110 до 1010 кПа прирост производительности ДП на каждые 100 кПа уменьшается с 18% и 28% до 5% на 100 кПа. Влияние давления на удельный расход кокса (К) и на его приращение (ΔК) заметно проявляется лишь на печи, работающей в худших условиях и лишь в диапазоне давления на колошнике до 600 кПа.
Оценку эффективности доменной плавки с газодинамическими параметрами, достижение которых технически возможно в настоящее время (давление газа на колошнике 500-600 кПа, расход природного газа, вдуваемого в фурмы в виде газокислородной смеси 200-250 м3/т, суммарная концентрация кислорода в дутье 40-42%), выполнили гакже путем компьютерного моделирования. Для выявления влияния отдельных составляющих на интенсификацию доменного процесса и расход кокса в сопоставлении с фактическими показателями работы ДП полезным объемом 1000 м3, с давлением газа на колошнике 190 кПа (базооый вариант плавки) моделировали доменную плавку для cледующих вариантов:
А - давление газа на колошнике 590 кПа;
В - давление газа на колошнике 590 кПа, температура дутья 1200 °С, содержание кислорода в дутье 42%, расход природного газа 250 м3/т.
В базовом варианте и варианте А кислород для обогащения дутья подается только на всас турбовоздуходувки (ТВД). В вариантах Б и В на всас ТВД подается количество кислорода, необходимое для обогащения дутья до 35%, остальной кислород - непосредственно в воздушные фурмы в смеси с природным газом для обеспечения полноты его сгорания в фурменном очаге. При варианте А производительность печи увеличивается только за счет повышения давления газа на колошнике со 190 до 590 кПа (в 1,66 раза, экономия кокса составляет 27,3 кг/т (27,3 тыс. т/год), выход доменного газа увеличивается (за счет интенсификации процесса) на 2583 ТДж/год, что эквивалентно экономии 76,8 млн м3/год природного газа.
Варианты Б и В отличаются от варианта А только повышенным расходом природного газа - с 77 (базовый вариант) до 200 и 250 м3/т и концентрации кислорода в дутье (с учетом кислорода, вдуваемого в смеси с природным газом) - с 28% до 40 и 42% соответственно. Это мероприятие позволяет увеличить производство чугуна почти в два раза (198 и 197%), снизить удельный расход кокса на 33,7 и 42.1% (экономия кокса составляет 229.8 и 286,1 тыс. т/год) при увеличении выхода доменного газа на 6820 и 6894 ТДж/год, что эквивалентно экономии более 200 млн м3/год природного газа.
Экономия кокса за счет увеличения расхода природного газа в отечественных условиях является оправданной. Анализ динамики роста цен на природный газ, коксующиеся марки угля, кокс собственного производства и покупной за период 2000-2004 гг. показал, что рост цен на коксующийся уголь и кокс по сравнению с природным газом происходит опережающими темпами.
Связано это как с дефицитом угля коксующихся марок, так и затратами на добычу и транспортировку, которые для угля, добываемого закрытым шахтным способом, в 7-8 раз выше, а транспортировка железнодорожным транспортом в 3-4 раза дороже, чем добыча и транспортировка трубопроводным транспортом природного газа. Для наращивания производства чугуна и снижения издержек производства при реконструкции существующего парка доменных печей вместо увеличения их обьема может быть применена технология интенсификации доменного процесса. Это позволит полностью использовать существующую инфраструктуру доменного производства (здания, сооружения, пути, дороги, коммуникации, а по подлежащему замене оборудованию - фундаменты, постаменты, опорные конструкции) со снижением затрат по сравнению с новым строительством на 35-40%. В связи с возможностью увеличения производительности отдельных печей почти в два раза, число работающих печей на предприятии может быть уменьшено, соответственно снижены эксплуатационные затраты и экологическая нагрузка.
Так же, как и н 40-е гг. XX в. при освоении работы доменных печей при повышенном давлении на колошнике - 60-110 кПа и более, переход на новый уровень давления (оптимально 600 кПа) потребует соотвеюівующих технических решений по всей технологической цели: воздушный компрессор - воздухонагреватели - доменная печь - загрузочное устройство - газоочистная система - оборотный цикл водоснабжения. Обязательным является применение газотурбинных расширительных установок для утилизации избыточной энергии колошникового газа повышенных параметров и компенсации части затрат на дутье.
Обеспечение дутьевым воздухом. В настоящее время имеются воздушные компрессоры гипа К-3000 с паровым и электрическим приводом производитель ностью 3000 м3/мин и компрессоры К-1500 (К-1700} с электрическим приводом производительностью 1500 (1700) м3/мин сжатого воздуха давлением 700 кПа, которые могут быть приспособлены для обеспечения доменных печей дутьевым воздухом. Наиболее целесообразно создать параметрический ряд компрессоров нового поколения на базе наиболее экономичных осевых и осецентробежных компрессоров применительно к доменным печам обьемом 1000-3200 м3 с обеспечением давления дутья порядка 700 кПа.
Обеспечение природным газом. Практически все предприятия черной металлургии РФ с доменным производством снабжаются природным газом расчетным давлением 1.2 МПа, поэтому подача природного газа давлением 0,75-0,8 МПа на вдувание в доменные печи по существующей схеме проблем не создаст. Потребуется дооборудование существующей системы вдува природного газа в фурмы специальной автоматически действующей установкой для получения газокислородной смеси заданного состава. При вдувании природного газа в фурмы доменной печи в виде газокислородной смеси коэффициент замены кокса природным газом, в зависимости от удельного расхода последнего, увеличивается на 0,03-0,15 кг/м3.
Обеспечение кислородом.Кислород на обогащение дутья до 35% подается на всас турбовоздуходувки по существующей схеме. Степень обогащения воздуха кислородом ограничена этой величиной для исключения проблем, связанных с возможностью возгорания воздухопровода горячего дутья при температуре 1200 °С (и более) и расчетном давлении дутьевого воздуха 700 кПа. Остальное количество кислорода (5 и 7% варианты Б и В соответственно) подается в смеси с природным газом. Удельный расход кислорода составляет по варианту Б - 176,5, по варианту В - 193,8 м3/т чугуна, в то время как при производстве чугуна по бескоксовым технологиям - процессы: "Соrех" - 700 м3/т, "Hismelt" - >200 м3/т, "Ромелт" - 700-800 м3/т. Процесс "HYL" осуществляется при абсолютном давлении в реакторе >650 кПа и удельном расходе природного газа до 470 м3/т губчатого железа.
Приведенные примеры подтверждают, что как по удельным расходам кислорода и природного газа, так и по давлению в печи предлагаемая технология интенсификации доменной плавки по предельным параметрам не имеет преимуществ перед другими процессами. Для обогащения дутья кислород подается на всас воздушного компрессора под давлением 3-4 кПа на выходе из воздухоразделительной установки. Для получения смеси с природным газом в освоенных в печах ОАО "Тулачермет", НТМК и "Северсталь" используется кислород давлением не менее 0,8 МПа.
Исследования фактических условий производства и потребления кислорода на предприятиях с конвертерным производством стали показали, что для его бесперебойного обеспечения с учетом цикличности провеса и с учетом прочих потребителей с неравномерным суточным расходом (автогенные и ремонтные работы суммарная производительность компрессоров на всех предприятиях выше среднесуточного часового расхода кислорода. В конвертерном производстве используется компримированный кислород давлением в интервале от 3,0-3,5 до 2,0 МПа при рабочем давлении перед фурмами 1,6 МПа, а для сглаживания цикличности потребления применяют рецилиентные емкости. При достижении верхнего давления кислород перепускается в сеть низкого давления (4 кПа), затем избыток его сбрасывается в атмосферу. Избыток компримированного кислорода, согласно нормативам, относят к статье "непотребление" и не учитывают как прямые потери. При годовом производстве конверторной стали 9,0 млн т/год прямые среднемесячные потери компримированного кислорода (давление >2.8 МПа) составили за 2000 г. 11,0 (9,6-11,9), за 2001 г. 9,6 (8,6-10,6) тыс. м3/ч, и они значительно превышают потребность в кислороде для получения газокислородной смеси для печи объемом 1000 м3, работающей по вариантам Б и В.
Загрузочное устройство. Доменная печь с расчетным абсолютным давлением газа на колошнике до 600 кПа должна оснащаться загрузочным устройством бесконусного типа с лотковым или роторным распределителем шихты. Выравнивание давления в шихтовом бункере должно осуществляться подачей азота рабочим давлением 700 кПа для исключения потерь доменного газа и возмущений, влияющих на работу ГУБТ. Существующие на предприятиях черной металлургии азотные компрессорные станции, предназначенные для выравнивания давления в шихтовых бункерах БЗУ, оснащены компрессорами типа К-345-92-1 производительностью 345 м3/мин и давлением азота 1,4 МПа. По своим характеристикам и эксплуатационной надежности они могут быть использованы для обеспечения работы БЗУ доменных печей при абсолютном давлении газа на колошнике до 600 кПа.
При применении БЗУ с выравниванием давления газа в шихтовом бункере, а также с додавливанием и подавлением пылегазовых выбросов компримированным азотом отпадает необходимость устройства специальной газоочистки выбросов из шихтового бункера и снижается расход азота на эти цели.
Газоочистная система доменного газа (ГОС). При давлении газа на колошнике до 600 кПа (абс.) для очистки доменного газа может быть адаптирована газоочистная система фирмы "Пауль Вюрт умвельттехник", состоящая из малогабаритного циклона для сухой очистки газа от пыли (КПД до 80%), комбинированного аппарата (включает скрубберную часть и регулирующие устройства с кольцевым зазором, выполняющие функции дроссельной группы) и каплеуловителя. Для новых условий работы доменной печи должна быть создана ГОС, включающая малогабаритные пылеуловитель с завихрителем (КПД до 80%) и скруббер с верхним вводом газа, регулируемые трубы Вентури на перепад давлений 25 кПа с водоотделителями, регулирующее устройство сухого типа с глушением шума в перфорированных насадках. В данной ГОС эффективная очистка от пыли и охлаждение газа обеспечиваются при меньшем расходе воды (в 2,0-2,5 раза).
Устройство для регулирования давления газа. При повышении давления на колошнике до 600 кПа традиционная дроссельная группа с поворотными заслонками не приемлема из-за направления потоков газа под углом на стенки корпуса, что вызывает вибрации и сильный шум (до 110 дБ). Этих недостатков лишены устройства для регулирования давления клапанного типа. Заданное абсолютное давление газа на колошнике доменной печи до 600 кПа регулируют изменением величины кольцевого зазора между отверстиями в диафрагме клапанами реверсивным перемещением клапанов в осевом направлении. В закрытом положении клапан плотно прижимается к отверстию в диафрагме, а размещение клапана в отводящем газопроводе исключает эффект прилипания клапана к седлу под давлением газа, повышает надежность работы дроссельного устройства.
Установка газорасширителыюй турбины. При работе доменных печей с давлением газа на колошнике 500-600 кПа установка ГУБТ является экономически оправданной и технически целесообразной на печах объемом 1000 м3 и более. Ранее выполненная проработка данного вопроса показала, что соотношение полезной работы в режимах состааляет 118/63,3 = 1,85, хотя соотношение абсолютных температур составляет только: (273463,3)/(273+40)=1,073. Соотношение полезной работы в режимах еще более значимо (более 2), однако его осуществление не представляется реальным, так как газ будет охлаждаться в основном за счет испарения влаги. Увеличение полезной работы ГУБТ происходит, главным образом, за счет роста избыточного давления и влагосодержания газа, используемого в ГУБТ, в то время как затраты на очистку газа практически не изменяются. Для очистки газа до нормативного значения - 4 мг/м3 достаточен перепад давления газа в трубах Вентури, равный 25 кПа.
Предварительные расчеты показывают, что за ДП объемом 1000 м3 при указанных параметрах газа может быть установлена ГУБТ-10. При коэффициенте мощности 0.9 и времени работы ГУБТ 8500 ч годовая выработка электроэнергии экологически чистым способом без применения топлива составит: 10000x0,9x8500=765·105 (кВт-ч).