СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ Российский патент 1994 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способам производства чугуна в доменных печах, которые включают вдувание подогретого восстановительного газа.

Известен способ ведения доменной плавки, включающий подвод обогащенного кислородом нагретого воздуха и смешение его с природным газом.

Основным недостатком данного способа является то, что в нем не используется подогрев природного газа, т. е. не используется возможность введения дополнительного количества тепла с природным газом в доменную печь. Это приводит к потерям производительности печи и повышению расхода кокса.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату является способ подготовки высокотемпературного восстановительного газа для вдувания в доменную печь, включающий подвод обогащенного кислородом нагретого дутья, нагрев природного газа и смещение его с кислородом.

Недостатком данного способа является то, что высокотемпературный подогрев природного газа в данном случае хотя и позволяет внести в доменную печь большее количество тепла, однако сопряжен со значительными капитальными затратами, сложностями с ремонтом и обслуживанием системы, поскольку подвод и подогрев природного газа осуществляется по сложной схеме, содержащей множество узлов и агрегатов.

Целью настоящего изобретения является снижение расхода кокса и повышение производительности доменной печи, при снижении капитальных затрат и увеличении степени использования оборотной воды.

Поставленная цель достигается тем, что в способе ведения доменной печи, включающем подвод обогащенного кислородом нагретого воздуха и смещение его с подогретым природным газом, подогрев природного газа осуществляют добавлением в его объем 10-50% пара, от объема природного газа, с температурой 300-600^оС, после чего смесь вводят в охладитель, где конденсируют и удаляют влагу, поддерживая прямо пропорциональным изменением расхода пара и хладогента на охладитель температуру природного газа на выходе из охладителя 85-150^оС, а его влажность не более 25% .

Данный способ реализуется с помощью устройства, которое отличается тем, что трубопровод природного газа перед коллектором снабжен влагосборным коленом, имеющим горизонтальный участок и следующий за ним вертикальный участок с охладителем, от которого на расстоянии 25-45 диаметров трубопровода в него врезан трубопровод подачи пара, а в месте перехода горизонтального участка в вертикальный, с нижней стороны, врезан трубопровод для сброса конденсированной влаги, который соединен с магистралью оборотной воды. Кроме того трубопровод подачи пара в объем природного газа соединен как с заводской магистралью пара, так и с магистралью отвода пара от систем испарительного охлаждения доменных печей.

Проведенный анализ патентной и научно-технической документации не выявил технических решений, идентичных заявляемому. По сравнению с прототипом заявляемое решение имеет новые признаки и, следовательно, соответствует критерию "новизна".

При поиске по патентной и научно-технической литературе не выявлены технические решения, содержащие признаки сходные с отличительными в заявленном решении, что свидетельствует о соответствии его критерию изобретения "существенные отличия".

При осуществлении работы данного способа, совместно с предложенным устройством в объем природного газа, вдуваемого в доменную печь, вводится от 10 до 50% пара, который смешиваясь с природным газом подогревает его.

Выбор предлагаемых пределов изменения расхода вводимого в объем природного газа пара, конечной температуры природного газа, его влажности и температуры используемого пара определяется следующими соображениями:
Изменение расхода пара определено в пределах 10-50% от объема вдуваемого природного газа. Проведенными на ЭВМ расчетами, связанными с решением системы уравнений термодинамического состояния потоков (пар - природный газ - отходящая влага - дутье), а также опытным путем, определено, что при использовании пара с максимальной заявленной температурой (600^оС), снижение его расхода ниже 10% не целесообразно, т. к. не позволит существенно повысить температуру природного газа (до 85^оС). Повышение же расхода пара свыше 50% приводит к значительному увлажнению природного газа, что в ряде случаев может сказываться на резких изменениях теоретической температуры горения в окислительной зоне доменной печи, что в свою очередь приведет к неустойчивому температурному режиму работы горна печи, неравномерному распределению газового потока, потерям производительности и увеличению расхода кокса. Опытным путем установлено, что предельно допустимой величиной влажности газа является 20-25% от его объема. Превышение данной величины приводит к значительным похолоданиям горна, что вызывает перерасход кокса. Необходимо также отметить, что увеличение расхода пара необходимо в том случае, когда довольно низка его температура (300^оС и ниже), что требует более жестких условий работы охладителя. При этом возрастают объемы конденсируемой влаги, а следовательно возрастают и потери тепла с ней. Все связанное снижает эффективность работы системы при увеличении расхода пара свыше 50% и требует также введения следующего ограничения по температуре используемого пара.

Нижний предел изменения температуры используемого пара составляет 300^оС. Данная величина определяется тем, что для нагрева природного газа до заданных температур (85-150^оС), использование пара с температурами ниже 300^оС, приведет к необходимости значительного увеличения объема вдуваемого пара, и, как следствие, вызовет ухудшение условий работы охладителя и значительный рост влажности природного газа. Выбор верхнего предела изменения температуры пара определяется исходя из реальных условий работы доменных цехов и имеющимся возможностям на металлургических комбинатах. Так, в данном случае, в предлагаемом решении может использоваться как пар доменного производства (получаемый от систем испарительного охлаждения доменной печи), так и пар общезаводской системы паропитания. Исходя из этого, предлагаемое решение позволит осуществить работу системы испарительного охлаждения доменных печей в замкнутом цикле.

Конечная температура природного газа определена в пределах 85-150^оС. Данные пределы выбраны исходя из условия наиболее эффективного влияния повышения температуры природного газа на повышение температуры дутья, при недопущении значительного переувлажнения природного газа, о чем говорилось выше. Так, при снижении температуры природного газа ниже 85^оС, температура комбинированного дутья увеличивается незначительно, что не позволяет достоверно судить о возможности достижения положительного эффекта. В то же время, увеличение температуры природного газа выше 140-150^оС вызывает значительное переувлажнение природного газа, поскольку с увеличением температуры газа растет равновесное содержание влаги в его объеме. Здесь необходимо пояснить, что сама возможность нагрева природного газа до температур порядка 150^оС появляется в связи с тем, что при повышенном давлении, а пар и природный газ подаются под давлением 6-7 атм, температура кипения (а, следовательно и конденсации) воды составляет 158-165^оС (см. А. С. Енохин, "Краткий справочник по физике", Москва, "Высшая школа", 1976 г. , стр. 116). Выбор пределов изменения параметров устройства, а именно: расстояния врезки паропровода в трубопровод подачи природного газа - 1 = 25-40 диаметров трубопровода определяется возможностью создания более благоприятных условий работы охладителя, поскольку уже до него основная часть пара будет конденсироваться в режиме естественной передачи тепла от пара к газу и в окружающую среду. Т. о. в ряде случаях (в зимних условиях, при среднем и пониженном расходе природного газа, пара и т. д. ) система может работать практически без охладителя, что значительно упрощает условия эксплуатации. Данный режим работы наблюдается при вводе пара на расстоянии 30-45 диаметров трубопровода. Дальнейшее увеличение размеров устройства приводит к необходимости прокладки дополнительных трубопроводов, что вызывает увеличение материальных и трудовых затрат. Нижний предел "1" определяется тем, что при уменьшении данного расстояния (при "1" - меньше 25 диаметров трубопровода), практическими исследованиями было отмечено резкое увеличение влагосодержания природного газа. При этом возникают трудности в регулировании температуры природного газорасходом пара, т. к. пар не успевает прогреть весь объем природного газа, и требуется увеличивать расход хладагента на охладитель и компенсировать падение температуры природного газа перед коллектором повышением расхода пара.

Способ реализуется следующим образом.

На доменной печи 1, перед коллектором природного газа 2 в его объем вводят 10-50% пара с температурой 300-600^оС. После чего смесь подают в охладитель, где конденсируют и удаляют влагу. При этом контролируют температуру природного газа на выходе из охладителя, поддерживая ее на уровне 85-150^оС. Кроме того, осуществляют контроль за влажностью природного газа, которая не должна превышать 20-25% . В случае увеличения влажности природного газа свыше 25% увеличивают расход хладагента на охладитель. Если же при этом падает температура природного газа (ниже 85^оС), то это увеличивают также расход пара на нагрев. При допустимой влажности газа регулирование его температуры осуществляют лишь изменением расхода пара в прямо пропорциональной зависимости.

Данный способ реализуется с помощью устройства, схема выполнения которого приведена на чертеже.

Устройство состоит из доменной печи 1, коллектора природного газа 2, от которого отходят трубопроводы подачи природного газа 3 к каждой фурме 4, общего трубопровода подачи природного газа 5. Трубопровод подачи природного газа 5 снабжен влагосборным коленом, имеющим горизонтальный участок 6 протяженностью "1" и вертикальный участок 7 с охладителем 8, к которому подведен трубопровод подачи хладагента 9. На горизонтальном участке трубопровода 5, на расстоянии "1" от места изгиба, в него врезан трубопровод подачи пара 10 (имеющий регулирующую арматуру - задвижки 11, 12, 13), который соединен с барабаном сепаратором 14 и с заводской магистралью подачи пара 15. Непосредственно перед охладителем, в месте сгиба с нижней стороны в трубопровод природного газа врезан трубопровод для сброса конденсированной влаги 16 с регулирующей задвижкой 17, который соединен с магистралью оборотной воды 18.

Предложенная система работает следующим образом.

Оборотная вода из системы подготовки воды на охлаждение 19 подается по трубопроводам 9 в систему испарительного охлаждения 20, после чего пароводяная смесь подается в барабан сепаратор 14, где происходит разделение пара и воды. Вода по трубопроводу 18 подается в замкнутом цикле к системе к системе 19, а пар по трубопроводу 10 подается либо к сторонним потребителям, либо в трубопровод природного газа. Для стабилизации температуры вдуваемого пара, в случае необходимости, осуществляется перераспределение потоков пара от системы испарительного охлаждения и от заводской магистрали пара, с помощью регулирующих задвижек 11, 12, 13. После подачи пара в объем природного газа (в точке 21) происходит его конденсация с передачей тепла природному газу. В результате чего природный газ нагревается до температуры 85-150^оС, а конденсированная влага накапливается в нижней части трубопровода 6. Указанная влага через трубопровод 16 с заглушкой 17 подается в трубопровод оборотной воды 18. Данный режим работы осуществляется в том случае, когда все тепло пара усваивается природным газом до попадания смеси в вертикальное колено с охладителем, т. е. до данного участка пар успевает передать свое тепло природному газу, при этом частично конденсируясь, а частично его увлажнив (до допустимых пределов - 20-25% ). Т. о. при данном режиме работы, необходимость подачи хладагента на охладитель практически отсутствует. Такой режим работы системы возможен при средних и пониженных расходах природного газа - 40-80 куб м/т чугуна, а также при 1 = 35-45 диаметров трубопровода природного газа.

В данном случае необходимо контролируя температуру и влажность природного газа на выходе из охладителя регулировать расход пара заглушкой 11, увеличивая его при падении температуры и уменьшая при увеличении. При этом влажность должна находиться в пределах 20-25% , что говорит о полной усваиваемости тепла пара природным газом.

В случае, если влажность природного газа возрастает до 25% и выше необходимо вводить в работу охладитель, принудительно конденсируя излишнюю влагу. При этом потери тепла с отходящей водой необходимо компенсировать увеличением расхода пара. Т. о. второй режим работы системы предусматривает включение в действие охладителя путем подачи (и регулирования расхода) на него хладагента. Данный режим работы осуществляется следующим образом: при превышении влажности природного газа свыше 25% подается сигнал на задвижку 22, которая увеличивает расход хладагента при росте влажности газа и наоборот. При этом падение конечной температуры природного газа компенсируют увеличением расхода пара задвижкой 11. При выходе на режим работы, соответствующий заявленным пределам (по расходу пара и влажности) расходы пара и хладагента на охладитель оставляют на достигнутом уровне.

Данный режим работы вытекает из необходимости повышения расхода природного газа в доменной плавке, т. е. в том случае, когда в доменную печь вдувают повышенное количество природного газа - 100-150 мкуб/т, а кроме того из необходимости уменьшения габаритных размеров устройства - уменьшения расстояния "1" до 25-35 диаметров трубопровода природного газа. Повышение расхода природного газа требует повышения расхода пара. В этом случае весь объем тепла вносимый паром не будет успевать усваиваться природным газом, что требует принудительной конденсации оставшегося пара, для недопущения переувлажнения газа. Конденсированная таким образом влага из охладителя 8 поступает по трубопроводу 16 в цикл оборотной воды.

П р и м е р 1. На доменной печи осуществляют подачу природного газа (40-50 мкуб/т чугуна) по трубопроводу, который имеет влагосборное колено с вертикальным, горизонтальным участками и охладителем. На расстоянии 35 диаметров трубопровода природного газа, в него вводят пар с температурой 500 гр. С в количестве 25% от расхода природного газа (т. е. около 15 мкуб/т чугуна). Данное количество определяют опытным путем, постепенно повышая расход пара до соответствия температуры газа заявленным пределам. После чего на выходе из охладителя получают природный газ с температурой близкой к 90^оС и влажностью 20% . Сам охладитель в работу не включен, т. е. хладагент на него не подается, а вся конденсированная влага удаляется по трубопроводу 16 с регулирующей заглушкой 17.

П р и м е р 2. Расход вдуваемого в доменную печь природного газа составляет 140 мкуб/т чугуна. На расстоянии 35 диаметров трубопровода в него вводят пар с температурой 350^оС, постепенно увеличивая его расход, контролируя температуру и влажность газа на выходе из охладителя. При расходе пара 39% влажность газа составила 26% , что выходит за заявленные пределы. Для снижения влажности газа, на охладитель начинают подавать хладагент, приоткрывая задвижку 22. В дальнейшем, при повышении расхода пара, в темпе с ним увеличивают расход хладагента на охладитель, контролируя при этом, конечную влажность газа. Такой режим осуществляют до достижения конечной температуры газа заявленных пределов - 85-150^оС. В данном случае уже при расходе пара 44-46% , температура газа на выходе из охладителя составила 105 гр. С, при его влажности 23% . Т. е. система вышла на заявленный режим работы. В дальнейшем, при неизменном расходе природного газа производят контроль его температуры и влажности, не расходов пара и хладагента.

При данном режиме работы влага конденсируется, как на горизонтальном участке трубопровода, так и в охладителе. Удаляется она аналогично первому примеру по трубопроводу 16 в общую систему подготовки воды на охлаждение 19.

Предлагаемая система позволит увеличить степень использования оборотной воды, поскольку позволит создать практически полностью замкнутый цикл водоснабжения систем испарительного охлаждения доменных печей при снижении капиталовложений в сравнении с прототипом. Кроме того, увеличение количества тепла, вносимого природным газом, даст увеличение производительности доменных печей на 2-5% и снижение расхода кокса на 1-2% . (56) Авторское свидетельство СССР N 960266, кл. C 21 B 5/00, 1980.

Сущность изобретения: способ включает подогрев природного газа перед вводом его в поток нагретого воздуха, обогащенного кислородом. Подогрев газа осуществляют добавлением пара с температурой 300 - 600С в количестве 10 - 50% от объема природного газа, после чего смесь вводят в охладитель, где конденсируют и удаляют влагу. На выходе из охладителя температуры природного газа поддерживают в пределах 85 - 150С, а влажность не более 25% . 1 ил.

СПОСОБ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ, включающий ввод природного газа в поток нагретого воздуха, обогащенного кислородом, и подачу смеси газов в песь, отличающийся тем, что перед вводом природного газа в поток нагретого воздуха дополнительно подогревают природный газ добавлением пара с температурой 300 - 600^oС в количестве 10 - 50% от объема природного газа, после чего из полученной смеси конденсируют и удаляют влагу в рекуперативном теплообменнике, при этом на выходе из теплообменника поддерживают температуру газа в пределах 85 - 150^oС, а влажность не более 25% пропорциональным изменением расхода пара и хладоагента на теплообменник.