Снижение удельного расхода кокса в доменной печи воздействием на зону замедленного теплообмена

Введение

Сегодня актуальным остается вопрос определения рациональных параметров комбинированного дутья при проведении доменной плавки в соответствии с задачами развития черной металлургии [1 – 4]. Рассмотрение совместного использования восстановительных добавок в виде природного газа и пылеугольного топлива при отношении их расхода к расходу технологического кислорода в пределах 0,9 – 1,2 показало стабилизацию теоретической температуры горения и других параметров процесса. Степени прямого и косвенного восстановлений являются существенными факторами этих процессов [5]. При анализе работы доменных печей ПАО «Магнитогорский металлургический комбинат» (ММК) дополнительно подтвердилась значительная роль реакционной способности и горячей прочности кокса [6]. Применительно к доменным печам Японии является важной оценка начальной температуры газификации углеродистых материалов при формировании зоны замедленного теплообмена (ЗЗТ). Для снижения выбросов оксида СО₂ в работе [7] рассмотрено вдувание водорода в качестве восстановителя вместо углерода, что обеспечивает одновременное повышение эффективности восстановления газообразным оксидом СО. Получено, что снижение выбросов оксида СО₂ из доменной печи обеспечивается в диапазоне концентраций водорода до 20 %.

В работах [8 – 11] показана важная роль математических моделей из-за дефицита информации о таких параметрах процессах, как температура, давление, степень восстановления по высоте печи. В этих разрабатываемых и внедряемых математических моделях существенна роль процессов, начинающихся и развивающихся в ЗЗТ, обеспечивающих значительное повышение степени восстановления железа. Согласуется с этим кинетическое моделирование, в котором заложена оценка действия зоны замедленного теплообмена на работу доменной печи [7]. Рассмотрено влияние температуры загружаемых материалов, их восстановимости и давления газов в колошниковом пространстве на результаты доменной плавки. Установлено, что снижению температуры начала ЗЗТ соответствует более высокая степень использования газов в печи [9]. В работе [12] было выявлено снижение удельного расхода кокса с увеличением времени пребывания опускающихся материалов в ЗЗТ. Снижали удельный расход кокса на 3,6 кг/т чугуна [13] уменьшением выноса тепла из зоны W_ш/W_г ≥ 1 в зону с W_ш/ W_г < 1 (где W_ш и W_г – теплоемкость потоков шихты и газа). В пределах ступени замедленного теплообмена (W_ш ≈ W_г ) температура уменьшилась на 2,5 °C, а разность температур газа и шихты – на 1,3 °C.

При рассмотрении рациональных решений по доменным печам на ПАО «ММК» обнаружена существенная роль реакционной способности и горячей прочности кокса применительно к корректировке потребления природного газа [6], которая является дополнительной к ранее изученным проявлениям [14 – 19]. При помощи теоретических и экспериментальных исследований показана важность температурных границ между областями непрямого, смешанного и прямого восстановлений [14]. Величины, характеризующие эти границы, взаимосвязаны как со скоростью восстановления оксидов газами СО, Н₂, так и со скоростью газификации углерода газообразными продуктами восстановления СО₂, Н₂О [16].

В лабораторных экспериментах с созданием условий по температуре и времени пребывания шихты как в верхней части шахты доменной печи сопоставляли древесный уголь и кокс по влиянию на степень восстановления агломерата газом, содержащим 29 % СО, 2 % Н₂ , 60 % N₂ [16]. Получены следующие результаты:

Согласно этим данным при температурах, соответствующих интенсивному теплообмену в верхней части печи (до 750 °C), приращение степени восстановления было незначительным, изменений в реакционной способности топлива почти не наблюдали, отходящий газ содержал 10,4 – 10,8 % СО₂. При температурах, соответствующих началу и развитию зоны замедленного теплообмена (более 750 °C), происходило взаимодействие части оксида СО₂ с углеродом топлива, приводящее к образованию оксида СО. Формирование оксида СО древесным углем (топливом, имеющим повышенную реакционную способность) действовало на увеличение степени восстановления агломерата сильнее, чем формирование его коксом. Такое действие было важным при улучшении хода доменного процесса повышением расхода природного газа [18].

Экспериментами с исследованием проб кокса, отобранных из опытной доменной печи, выявлено четыре направления действия реакционной способности, результирующим эффектом которых является возможность снижения удельного расхода кокса и увеличения интенсивности по дутью с повышением способности его углерода реагировать с оксидом СО₂ [20 – 22]. Реализация этого в промышленных условиях может проводиться с привлечением технического зрения для верха и низа доменной печи [23 – 29] и представлений об электронной теории восстановления железа из оксидов [30; 31].

Материалы и методы исследования

Используя данные работ [1 – 31], на доменной печи полезным объемом 1370 м³ реализовали снижение удельного расхода кокса, эффективно воздействуя для этого на ЗЗТ путем увеличения удельного расхода природного газа при повышении и понижении реакционной способности кокса CRI совместно с изменением горячей прочности CSR в противоположном направлении. Наиболее существенные характеристики работы печи представлены на рис. 1 – 4.

Характер изменения вертикального давления (активного веса Р_а) материалов по высоте и сечению печи представлен на рис. 1 и 2.

Характер изменения средних температур по высоте доменной печи показан на рис. 3, а по радиусу – на рис. 4 и 5 на основании работ [14; 17; 22].

При температурах ниже 850 – 900 °С теплоемкость потока газа превышает теплоемкость потока шихты (W_г > W_ш), а соотношение W_ш/W_г находится в пределах 0,7 – 0,9. Избыточное количество тепла в верхней ступени теплообмена, не потребляемое шихтой, обеспечивает расходование некоторого количества тепла в этой зоне на низкотемпературные процессы без увеличения количества загружаемого кокса. В частности, не требуется дополнительный кокс на испарение влаги.

Доля кислорода всех оксидов, удаляемых из загруженных материалов всеми восстановителями, представлена на рис. 5 (где 1 – ускоренное восстановление в верхней части доменной печи, которую обеспечивают малые химические прочности Fe₂O₃ и Fe₃O₄; 2 – восстановление в условиях зоны замедленного теплообмена, наиболее благоприятных для реакций FeO + CO = Fe + CO₂ и FeO + H₂ = Fe + H₂O (в этой зоне на единицу изменения температуры приходится высокая степень восстановления); 3 – ускоренное восстановление за счет интенсивности прямого его развития (FeO + C = Fe + CO); 4 – замедление восстановления из-за его приближения к завершению (мало остается недовосстановленных оксидов); 5 – уменьшение степени восстановления, обусловленное окислением продуктов плавки в фурменных очагах; 6 – быстрое восстановление ранее окисленных в фурменных очагах элементов (преимущественно железа); сплошная линия относится к современным условиям; штриховая – к дальнейшему развитию технологии доменной плавки).

Результаты и их обсуждение

На доменной печи ПАО «ММК» обеспечивали снижение удельного расхода кокса увеличением степени использования водорода и степени восстановления им железа из оксида FeO путем воздействия на зону замедленного теплообмена, повышая потребление природного газа выше 120 м³/т чугуна. Исследовали два парных периода: I и II – первая пара, III и IV – вторая пара. Составляющие пар были смежными между собой длительностью (преимущественно) семь суток в каждом режиме.

Периоду I первой пары в исходных условиях соответствовал расход природного газа 123,2 м³/т чугуна. При содержании кислорода в дутье 27,2 % отношение расходов газа и кислорода составило 0,43 (табл. 1). Во второй паре (базовый период III) эти величины составляли 135,8 м³/т чугуна; 27,6 % и 0,47 соответственно.

В обеих парах периодов повысились масса газовоздушной смеси на одну фурму, ее кинетическая энергия истечения, протяженность рыхлой части фурменного очага. Все указанные параметры изменялись более существенно в первой паре периодов.

Горячая прочность кокса CSR в базовых условиях первой пары периодов составила 36,3 %, а его реакционная способность CRI = 38,4 %, увеличившись в обновленном режиме плавки на 0,9 %; в базовых условиях второй пары CSR = 39,5 %; CRI = 39,1 %; с вариантом снижения CRI до 37,8 %, то есть на 1,3 % (табл. 2).

В периоде II по сравнению с периодом I, в условиях уменьшения CSR от 36,3 до 34,6 % и роста CRI от 38,4 до 39,3 %, увеличили отношение расходов природного газа и всего поступающего в печь кислорода от 0,43 до 0,45 путем повышения удельного расхода газа от 123,2 до 133,5 м³/т чугуна. При этом содержание кислорода в дутье увеличили от 27,2 до 28,4 %. Такие действия повысили степень восстановления водородом от 31,9 до 37,2 % (табл. 3), а степень его использования – от 45,3 до 48,8 % с увеличением протяженности ЗЗТ в сторону колошника на 1,9 % при неизменном ее расположении по нижней части. Существенное уменьшение степени восстановления углеродом (с 30,7 до 24,4 %) снизило потребление тепла в ЗЗТ, увеличив разность температур t_г – t_ш (рис. 3) в среднем на 36 °С.

В периоде IV по сравнению с периодом III основными действовавшими факторами по условиям плавок являлись:

– увеличение расхода природного газа с 135,8 до 143,9 м³/т чугуна;

– снижение содержания кислорода в дутье с 27,6 до 27,0 %;

– увеличение отношения расходов природного газа и всего поступающего в печь кислорода от 0,47 до 0,51;

– уменьшение CRI с 39,1 до 37,8 %;

– увеличение CSR с 39,5 до 40,2 %.

В результате изменения рассматриваемых процессов в периоде IV по сравнению с периодом III были следующими:

– увеличение протяженности ЗЗТ в сторону колошника на 2,6 % и отдаленности от фурменного очага на 3,4 %;

– повышение степени восстановления углеродом с 32,0 до 33,3 %;

– незначительный (в среднем 0,3 °С) рост разности температур t_г – t_ш (рис. 3).

Полученные основные характеристики тепловой работы по зонам, сопровождающие эти изменения, представлены в табл. 4.

По регистрируемым параметрам понизилась температура в осевой зоне колошника на 14 °С в периоде II по сравнению с периодом I и повысилась на 20 °С в периоде IV по сравнению с периодом III (табл. 1).

Комплекс изменений в ходе процессов, в том числе отражающихся в соотношениях Т_пер/Т_гр, Т_пер/Т_ц, Т_ц/ Т_гр, уменьшил удельный расход кокса в периоде II по сравнению с периодом I от 434,9 до 430,2 кг/т чугуна, а в периоде IV по сравнению с периодом III от 437,5 до 435,9 кг/т чугуна (табл. 5). В первой паре периодов повысилась производительность печи на 27 т/сут.; условия и ход процессов второй пары привели к снижению производства чугуна на 41 т/сут. (табл. 5).

Смещение процесса газификации углерода кокса в периоде II по сравнению с периодом I уменьшило коэффициент сопротивления шихты и продуктов ее переработки движению газа в нижней части заплечиков (рис. 1, зона минимального значения P_a) на 6,9 % и позволило вести плавку при увеличенной на 11,5 % подъемной силе газового потока (табл. 1). Перемещение области газификации углерода кокса в периоде IV по сравнению с периодом III в область пониженных температур уменьшило удельный расход кокса и скорость процессов, что, в свою очередь, снизило производительность печи (табл. 5).

Выводы

Параметры (протяженность, расположение по высоте, температура, разность температур между поднимающимися газами и опускающимися материалами) ЗЗТ доменной печи существенно влияют на удельный расход кокса. Формирование ЗЗТ обеспечивают параметры шихты и дутья, в которых важными являются реакционная способность (CRI) и горячая прочность (CSR) кокса, расходы природного газа и технологического кислорода.

На доменной печи ПАО «ММК» провели плавки, результаты которых характеризовали двумя парами периодов, первый в каждом из которых являлся базовым, а второй опытным.

Первая пара периодов отражает увеличение потребления природного газа от 123,2 до 133,5 м³/т чугуна с увеличением высоты ЗЗТ в сторону колошника на 1,9 % при неизменном ее расположении в нижней части, увеличении градиента температур газа и материалов на 36 °С. Вторая пара периодов характеризует увеличение потребления природного газа от 135,8 до 143,9 м³/т чугуна с увеличением протяженности ЗЗТ в сторону колошника на 2,6 % и отдаленности от фурменного очага на 3,4 % при незначительном (в среднем 0,3 °С) росте разности температур газа и материалов в ЗЗТ.

Условия и ход процессов первой пары периодов уменьшили удельный расход кокса на 4,7 кг/т чугуна с повышением производительности печи на 27 т/сут. Во второй паре они дали снижение удельного расхода кокса на 1,6 кг/т чугуна и сокращение производства чугуна на 41 т/сут.