СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВНОЙ ДОБАВКИ В ДОМЕННУЮ ПЕЧЬ Российский патент 1995 года по МПК C21B5/06 C21B7/24 

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к технологии выплавки чугуна в доменных печах.

Известны способы регулирования подачи топливных добавок в виде восстановительного газа в доменную печь, в соответствии с которыми количество восстановительного газа определяется параметрами комбинированного дутья. Например, на Челябинском металлургическом заводе подачу природного газа регулируют таким образом, что отношение его расхода к расходу кислорода поддерживают в пределах 1,2-1,3 (см. Отчет о научно-исследовательской работе НИР Б 147636. Челябинский металлургический завод. 1975).

Эти способы недостаточно эффективны, так как не учитывают степень использования восстановительного газа в печи, количество замененного кокса топливной добавкой и производительность печи. При подаче природного газа в доменные печи металлургического комбината им. Дзержинского степень использования водорода колеблется в пределах 0,2-0,5 доли единицы, вызывая изменение коэффициента замены кокса природным газом от 0,6 до 1,05 кг/м³. При этом существенно изменяется и производительность печи. Вследствие этого колеблется эффективность применения природного газа, тепловое состояние печи и качество чугуна.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемым результатам является способ регулирования подачи восстановительного газа в доменную печь, в соответсвии с которым количество восстановительного газа поддерживают на экстремальном уровне, соответствующем максимуму экономии условного кокса, а по приращению количества замененного восстановительным газом углерода кокса корректируют массу коксовой колоши.

Однако этот способ также недостаточно эффективен, так как при определении экономии условного кокса не учитывается изменение производительности печи от применения топливной добавки.

При изменении количества топливной добавки наблюдаются случаи, когда производительность печи увеличивается или уменьшается, что влияет на экономию условного кокса за счет приращения производительности.

Изменение производительности печи и экономии условного топлива при поиске экстремума количества топливной добавки могут происходить в различных сочетаниях: при увеличении или уменьшении экономии условного топлива производительность соответственно увеличивается или уменьшается, изменяется в противоположную сторону или остается постоянной.

Учет изменения производительности печи и его оценка в процессе выработки управляющего воздействия на регулирование количества топливной добавки и является существенным отличием предлагаемого способа.

Указанная цель достигается тем, что в известном способе, включающем контроль входных параметров процесса, определение количества замененного топливной добавкой углерода и экономии условного кокса, нахождение экстремального количества топливной добавки, соответствующего максимуму экономии условного кокса, коррекцию массы кокса в подаче при изменении количества замененного топливной добавкой углерода, определяют уточненные значения количества замененного топливной добавкой углерода и экономию условного кокса, определяют производительность печи и отношение приращения производительности ΔP_м и приращения экономии кокса ΔЭ_к к приращению количества топливной добавки ΔV_тд и в зависимости от величины данных отношений устанавливают направление изменения количества топливной добавки и с шагом 5 20% от установленного расхода топливной добавки через интервал времени 10-60 мин осуществляют регулирующее воздействие, при этом если
> 0, а ≥ 0 то количество топливной добавки увеличивают на следующем шаге, если
<0, а ≅ 0 то количество топливной добавки на следующем шаге уеньшают, если
0, и 0 то считают, что расход топливной добавки находится на оптимальном уровне, в остальных случаях определяют суммарное приращение экономии условного кокса ΣΔЭ_к
ΣΔЭ_к= ΔЭ_к+E_к·ΔP_м и отношение суммарного приращения экономии условного кокса к и приращению топливной добавки и если
> 0 количество топливной добавки увеличивают на следующем шаге и если
< 0 то количество топливной добавки уменьшают, если
0 то считают, что расход топливной добавки находится на оптимальном уровне. Во всех случаях, если
< 0 то расход топливной добавки не увеличивают.

Интервал времени, через который осуществляют регулирующее воздействие на изменение количества топливной добавки в 10 60 мин обусловлен временем запаздывания информации о составе колошникового газа. Если длина импульсной трассы от пылеуловителя до газоанализаторов колошникового газа велика и выполнена трубами завышенного диаметра, то время запаздывания информации о составе колошникового газа может составлять 30 и более мин. В этом случае управляющие воздействия на изменение топливной добавки целесообразно производить не чаще чем 1 раз в 60 мин.

Если импульсная трасса обеспечивает минимальное время запаздывания информации о составе колошникового газа около 5 мин, то управляющие воздействия на поиск экстремума количества топливной добавки выдают через каждые 10 мин.

Шаги изменения количества топливной добавки при поиске ее экстремума в пределах 5-20% от установленного расхода обусловлены объемом доменной печи и частотой регулирования. При низкой частоте регулирования (один раз в час) для доменных печей небольшого объема (1386 м³ и ниже) шаги выбирают в пределах 10 20% а для доменных печей 5000 м³ и более 7-10% При повышении частоты регулирования, например, до одного раза в 10 мин шаги выбирают в пределах 5-10%
Способ осуществляют следующим образом.

1. При подаче в доменную печь топливной добавки измеряют ее количество и химический состав ( μ,γ), количество вдуваемого воздуха и кислорода, влажность дутья, содержание в колошниковом газе СО, СО₂ и Н₂, температуру колошникового газа, температуру дутья, количество подач загружаемых в печь материалов, содержание углерода в коксе.

2. По усредненным значениям измеренных параметров за время t в пределах 10-60 мин вычисляют количество углерода кокса Э_с, которое заменяется топливной добавкой
Э_cV_тд
V_тд, кг/ч
и экономию условного кокса
Э_к V_тдE₁-V_oE₂, кг/ч где μ,γ- соответственно количество водорода и углерода, образующихся в горне доменной печи из единицы топливной добавки (м³/м³ или м³/кг);
η_H2,η_CO степень использования водорода и окиси углерода, доли единицы;
t_к температура колошникового газа, ^оС;
V_o количество технологического кислорода, м³/мин;
V_т.д. количество топливной добавки (м³/ч или кг/ч);
Е₁ коэффициент эквивалентности расхода топливной добавки расходу кокса, кг кокса/м³ добавки или кг кокса/кг добавки;
Е₂ коэффициент эквивалентности расхода кислорода расходу кокса, кг/м³;
С;С_Н2;С_СО2; С_СО соответственно, теплоемкость водяного пара, водорода, диоксида и окоси углерода при температуре колошникового газа, кДж/м³ ˙град;
5250, 10802, 12648 тепловые эффекты образования СО, Н₂О, СО₂ из СО соответственно, кДж/м³;
1,8667 количество СО, образуемого из 1 кг углерода кокса, м³/кг;
q теплота горения топливной добавки в горне печи, кДж/м³ или кДж/кг.

Если в качестве топливной добавки используют восстановительный газ, то значение q определяют
q 1658 CH₄ + 6050 С₂Н₆ + 10115 С₃Н₈ + + 13796 С₄Н₁₀ + 18053 С₅Н₁₂- 12648 СО₂ -10802 Н₂О, кДж/м³ здесь СН₄, С₂Н₆, С₃Н₆ и т.д. содержание соответствующих компонентов восстановительного газа;
1658, 6050 и т.д. теплоты сгорания (или разложения) в горне соответствующих компонентов восстановительного газа.

Если в качестве добавки используют твердое или жидкое топливо, то
q Q_н^р 121000 Н^р 12140 S^р 13400 W^p 23605 С^р, кДж/кг где С^Р, Н^Р, W^P, S^P содержание в твердом или жидком топливе, соответственно, углерода, водорода, влаги и серы, кг/кг топлива;
236,5 тепловой эффект образования СО₂ и СО, кДж/кг углерода.

121000 тепловой эффект образования Н₂О, кДж/кг водорода;
13400 тепловой эффект образования Н₂О, кДж/кг воды;
12140 тепловой эффект образования SO₂, кДж/кг, S;
Е₁; Е₂ соответственно коэффициенты эквивалентности расхода топливной добавки и расхода кислорода. Эти коэффициенты являются постоянными величинами и определяются из стоимости единиц этого сырья.

E₁ 0,54 кг кокса/м³ V_тд
E₂ 0,3 кг кокса/м³ O₂
Определяют производительность доменной печи. Ее можно определить известным способом (см. Довгалюк В.П. Основные номограммы доменного процесса. Киев; Техника, 1985 56 с)
P 1,43 0,5(CO₂+ΔH₂)+0,5(CO+CO₂)-βN₂, кг/мин
где V_кд количество комбинированного дутья, м³/мин;
СО, СО, N₂ составляющие колошникового газа,
ΔН₂ количество Н₂О косвенного восстановления, м³/100 м³ сухого колошникового газа;
α объемное отношение комбинированного дутья к азоту в дутье, м³/м³;
β объемное отношение кислорода к азоту в комбинированном дутье;
Оr окисленность шихты, кг кислорода шихты/кг чугуна.

3. Шагами через время t по 5-20% от установленного расхода топливной добавки изменяют ее количество до экстремального значения, соответствующего максимуму экономии условного кокса при неснижаемой производительности печи.

Для этой цели после каждого шага изменения количества топливной добавки определяют приращения по сравнению с предыдущим периодом усреднения t.

Э_с Э_с(t) Э_с(t-1)
Э_к Э_к(t) Э_к(t-1)
Р_м Р_м(t) Р_м(t-1)
ΔV_тд V_тд(t) V_тд(t-1) и отношения
; а также рассчитывают
ΣΔЭ_к ΔЭ_к + Е₃ ˙ΔР_м ˙ 60, кг/ч
и , кроме этого на каждом шаге производят контроль влияния изменения расхода дутья на изменение производительности доменной печи, то есть определяют

Е₃ коэффициент эквивалентности приращения производительности экономии кокса. Его значение можно определить по стоимости единицы кокса и условно-постоянных расходах на выплавляемый чугун.

П р и м е р реализации способа. Расчет приведен для условий работы доменной печи объемом 1754 м³ (см. таблицу).

В момент включения доменной печи в режим управления она работала с расходом дутья 3100 м³/мин. tд 1090^оС, расход природного газа составлял 10400 м³/ч, содержание кислорода в дутье 23/5% расход пара 1,5 т/ч.

На первом шаге из входных параметров незначительно изменились V_пг, V_д.

Расчетные параметры были получены в следующем виде:
> 0, > 0 и > 0
Исходя из совокупности этих расчетных значений выдается рекомендация на увеличение расхода природного газа на 500 м³.

На втором шаге при расходе природного газа 11000 м³/ч и некотором увеличении расхода дутья до 3180 м³/мин.

> 0, >, 0 > 0
В результате этого вновь выдается рекомендация на увеличение расхода природного газа на 500 м³.

На третьем шаге при расходе V_пг 11500 м³/ч наблюдается увеличение Н₂ в колошниковом газе до 7% увеличилась и степень использования Н₂ до 0,4, экономия углерода кокса за счет использования природного газа возросла до 8375 кг/ч.

> 0, < 0 и > 0 в связи с этим производится расчет ΔЭ_кΣ
ΔЭ= 119, < 0 при этом > 0 таким образом необходимо увеличение расхода природного газа. Выдается рекомендация на 500 м³.

На четвертом шаге при расходе V_пг 12000 м³/ч η_CO возросло до 0,4 η_H2- до 0,41. Количество углерода, замененного топливной добавкой составило 8871 кг/ч, производительность уменьшилась до 2568 кг чугуна в мин.

> 0, < 0, > 0
Несмотря на уменьшение производительности ΔЭ_кΣ, которое учитывает изменение производительности составляет 216 кг/ч, то есть эффект добавления природного газа положительный. Выдается рекомендация на увеличение расхода природного газа еще на 500 м³.

На пятом шаге при расходе природного газа 12500 м³/час произошло повышение степени использования водорода η_H2 до 0,44. Повысилась экономия углерода до 9730 кг/ч. Вместе с тем, производительность доменной печи снизилась и ΔР стало отрицательным, поэтому оценку эффективности производим поэтому оценку эффективности производим по ΔЭ_кΣ
ΔЭ_кΣ 585 кг/ч то есть эффект от использования природного газа с учетом производительности даже при ее снижении положителен, следует рекомендация на увеличение расхода природного газа.

Однако анализ соотношения показывает, что эта величина отрицательна. Это означает, что рекомендация на увеличение расхода природного газа не выполняются.

На шестом шаге при незначительном увеличении экономии кокса произошло также уменьшение производительности. ΔЭ_кΣ 125 кг/ч, то есть эффект положителен. ΔР_м/ΔV_д также больше 0. При этом
< 0, > 0 В данной ситуации выдается рекомендация на уменьшения расхода природного газа.

На следующем шаге произошло понижение эффективности использования природного газа η_H2= 0,91. Экономия углерода кокса понизилась до 9030 кг/ч. Производительность понизилась ΔР_м 49 кг/мин.

> 0, > 0, однако < 0 и таким образом рекомендация на увеличение расхода природного газа не выполняется.

На восьмом шаге произошло снижение степени использования водорода η_H2= 0,40. Понизилось Э_с, Э_к,
< 0, < 0 и < 0 выдается рекомендация на уменьшение расхода природного газа. На девятом шаге расход природного газа составляет 11500 м³/ч. Э_спонизилось до 8368 кг/ч. Отмечается увеличение производительности ΔР_м 20 кг/мин.

> 0, < 0 поэтому оценку производим по ΔЭ_кΣ.

ΔЭ<0, однако > 0 и < 0 поэтому рекомендация на увеличение расхода природного газа не выполняется.

На десятом шаге
> 0, > 0 и < 0 поэтому рекомендация на увеличение также отменяется.

На одиннадцатом шаге производительность возросла ΔР_м > 0, а экономия кокса Э_с понизилась
>0, < 0 поэтому оценку производим по ΔЭ_кΣ
> 0, > 0 таким образом выполняется рекомендация на увеличение расхода природного газа.

На двенадцатом шаге степень использования водорода возросла η_H2= 0,43. Экономия углерода кокса составила 9285 кг/ч. Производительность возросла на 52 кг/мин
> 0, > 0 выдается рекомендация на увеличение расхода природного газа
> 0 поэтому рекомендация выполняется.

На тринадцатом шаге экономия кокса составила 9645 кг/ч, производительность возросла на 10 кг/мин
> 0, > 0 и > 0 поэтому выполняется рекомендация на увеличение расхода природного газа.

На четырнадцатом шаге расход природного газа составляет 13000 м³/ч, экономия кокса достигла 10069 кг/ч, производительность возросла на 130 кг/мин.

> 0, > 0 и > 0 выполнена рекомендация на увеличение расхода природного газа
На пятнадцатом шаге при расходе природного газа 13500 м³/ч η_H2возросла до 0,46. Экономия углерода кокса равна 10804 кг/ч, однако производительность снизилась на 50 кг/мин.

> 0, < 0 поэтому оценку производим по ΔЭ_кΣ
ΔЭ_кΣ 454 кг/ч
> 0 > 0 таким образом выполняем рекомендацию на увеличение расхода природного газа.

На шестнадцатом шаге при расходе природного газа 14000 м³/ч степень использования η_H2 возросла до 0,49, экономия углерода кокса достигла 11810 кг/ч, производительность возросла на 79 кг/мин.

> 0 > 0 однако < 0 таким образом рекомендация на увеличение расхода природного газа не выполняется.

На семнадцатом шаге при расходе природного газа 141000 м³/ч степень его использования достигла 0,51, экономия углерода кокса составила 12095 кг/ч, производство составило 2653 кг/мин
> 0, > 0 однако в связи с тем, что < 0 расход природного газа не изменяем.

Таким образом на основании приведенного примера показано, что способ дает возможность оптимизировать расход природного газа.

В результате регулирующих воздействий посредством изменения расхода природного газа с учетом изменения производительности доменной печи достигнуто увеличение расхода природного газа с 10400 м³/ч до 14100 м³/ч, при этом производительность чугуна практически не изменилась. Степень использования η_H2 возросла с 0,36 до 0,51 и экономия углерода кокса с начальных 7094 кг/ч достигла 12095 кг/ч.

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к доменному производству и может быть использовано для оптимизации расхода топливной добавки при подаче ее в доменную печь. Сущность изобретения заключается в том, что измеряют температуру колошникового газа и определяют уточненные значения количества замененного топливной добавкой углерода и экономию условного кокса, определяют производительность печи и отношение приращения производительности и приращения экономии кокса к приращению количества топливной добавки и в зависимости от величины данных отношений устанавливают направление изменения количества топливной добавки и с шагом 5 - 20% от установленного расхода топливной добавки через интервал времени 10 - 60 мин осуществляют регулирующее воздействие. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. СПОСОБ РЕГУЛИРОВАНИЯ ПОДАЧИ ТОПЛИВНОЙ ДОБАВКИ В ДОМЕННУЮ ПЕЧЬ, включающий измерение состава колошникового газа, расходов воздуха, топливной добавки и технологического кислорода, влажности дутья, определение количества замененного топливной добавкой углерода и экономии условного кокса, нахождение экстремального количества топливной добавки, соответствующего максимуму экономии условного кокса, коррекцию массы кокса в подаче при изменении количества замененного топливной добавкой углерода, отличающийся тем, что дополнительно определяют производительность печи P_м и отношение приращения производительности P_м к приращению расхода дутья ΔV_д а также отношение приращения производительности ΔP_м и приращения экономии кокса ΔЭ_к к приращению количества топливной добавки ΔV_тд и в зависимости от величины данных отношений устанавливают направление изменения количества топливной добавки и с шагом 5 20% от установленного расхода топливной добавки через интервал времени 10 60 мин осуществляют регулирующее воздействие, при этом, если


то количество топливной добавки увеличивают на следующем шаге, если


то количество топливной добавки на следующем шаге уменьшают, если

то считают, что расход топливной добавки находится на оптимальном уровне, в остальных случаях определяют суммарное приращение экономии условного кокса ΣΔЭ_к по формуле
ΣΔЭ_к=ΔЭ_к+E_к·ΔP_м
и отношение суммарного приращения экономии условного кокса к приращению топливной добавки и, если

то количество топливной добавки увеличивают на следующем шаге и, если

то количество топливной добавки уменьшают, если

то считают, что расход топливной добавки находится на оптимальном уровне, при этом во всех случаях, если

то расход топливной добавки не увеличивают. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что количество замененного топливной добавки углерода определяют по математическому выражению

где μ, γ соответственно количество водорода и углерода, образующихся в горне доменной печи из единицы топливной добавки, м³/м³ или м³/кг;
степень использования водорода и окиси углерода, доли единицы;
t_к температура колошникового газа, ^oС;
V_т.д количество топливной добавки, м³/мин или кг/мин;
соответственно теплоемкость водяного пара, водорода, диоксида и оксида углерода при температуре колошникового газа, кДж/м³ · град;
5250, 10802, 12648 тепловые эффекты образования CO, H₂O, CO₂ из CO соответственно, кДж/м³;
1,8667 количество CO, образуемого из 1 кг углерода кокса, м³/кг;
q теплота горения топливной добавки в горной печи, кДж/м³ или кДж/кг.