СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКОЙ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2001 года по МПК C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах с вдуванием в горн газообразного топлива (природного, коксового газа).

Вдувание газообразного топлива в горн доменных печей началось в конце 50-х годов и быстро получило широкое распространение, оно позволило заменить часть кокса в доменной плавке, значительно увеличить температуру горячего дутья и соответственно также снизить расход кокса. Коэффициент замены кокса природным газом составил 0,6-0,8 кг/м³ ("Доменные печи. Нормативы расхода кокса, "Минмет СССР, Техническое управление, Москва, 1987, c.11).

В то же время исследования показали, что коэффициент замены на ряде печей в разные периоды составляет всего лишь 0,2-0,6 кг/м³, достигая в лучшие периоды 0,7 кг/м³ (Товаровский И.Г. "Совершенствование и оптимизация параметров доменного процесса", М.: "Металлургия", 1987, с. 142-147). Это связано с неполным окислением углерода природного газа в фурменном очаге, частичным пиролизом по реакции CH₄ = С + 2H₂ - 75 кДж/м³, плохо организованным противотоком в доменной печи.

В современных условиях доменной плавки экономически оправданное использование природного газа в доменной плавке находится на уровне коэффициента замены кокса природным газом 0,8 кг/м³ и выше. С другой стороны, сокращение расхода природного газа приводит к увеличению температуры горновых газов и, как следствие, к необходимости снижения температуры горячего дутья и повышению расхода кокса.

Известен способ ведения доменной плавки, в котором подогрев природного газа перед вводом его в поток нагретого воздуха, обогащенного кислородом, осуществляют добавлением пара с температурой 300-600^oС в количестве 10-50% от объема природного газа, после чего смесь вводят в охладитель, где конденсируют и удаляют влагу. На выходе из охладителя температуру природного газа поддерживают в пределах 85-150^oC, а влажность не более 25% (Патент Российской Федерации N 2009201, кл. С 21 В 5/00, 1991).

Способ предусматривает предварительный подогрев подаваемого в поток нагретого воздуха природного газа за счет добавления к нему перегретого пара с последующим удалением той части пара, которую удалось конденсировать. Способ не направлен на изменение состава газовой смеси с целью сохранения температуры горнового газа на постоянном уровне. Расход природного газа в газовой смеси поддерживается постоянным и максимально возможным. Цель способа - утилизация тепла пара от системы испарительного охлаждения доменной печи, с соответствующей экономией кокса.

Известен также способ управления доменной плавкой (Патент СССР N 1103799, МПК С 21 В 5/00, 1984) с подачей в горн печи горячей (1500-2800^oC) газовой смеси, состоящей из восстановительных и окислительных компонентов, выплавку чугуна с содержанием кремния до 2%, в котором регулирование температуры и состава чугуна осуществляется изменением параметров газовой смеси, в частности ее состава, температуры.

Недостатком способа является то, что газовая смесь - горячий восстановительный газ, содержащий компоненты CO, H₂, H₂O, CO₂ и N₂, получают в специальных агрегатах с потерями тепла как при его получении, так и при передаче в доменную печь.

Кроме того, при реализации этого способа (см. примеры конкретного выполнения способа) показано, что в доменной плавке вместо дутья, обогащенного кислородом, вдувают восстановительный газ с изменением его количества и температуры, чем и воздействуют на температуру чугуна и содержание кремния в чугуне, а также на удельный расход кокса. Реализация этого способа не учитывает необходимость регулирования такого важнейшего показателя (параметра) доменной плавки, как постоянство температуры горновых газов.

Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности является способ управления доменной плавкой, включающий загрузку в печь материалов доменной плавки, вдувание обогащенного кислородом дутья и газовой смеси, содержащей восстановительные (природный и коксовый газ) и окислительные компоненты (кислород, водяной пар, отходящие газы металлургических агрегатов) (Патент Российской Федерации N 2015168, кл. С 21 В 5/00, 1993).

Способ предусматривает изменением расхода газовой смеси и ее состава регулировать температуру чугуна и содержание в нем кремния, титана.

Недостатком способа является то, что изменением состава и расхода газовой смеси не обеспечивается постоянство температуры и объема горновых газов - важнейшего условия производительной и экономичной работы доменной печи - противоточного агрегата. Изменение объема горновых газов вызывает нарушение "ровного схода материалов" с потерей производительности, перерасходом кокса, необходимостью снижения температуры горячего дутья, так как изменение температуры горновых газов только на 27,3^oC (t) изменяет их объем на 10%:
V₁ = V₀ (1+t/273), м³
В то же время изменение расхода природного газа на 1% к расходу дутья, например для печи объемом 1033 м³ с расходом дутья 1850 м³/м, изменяют теоретическую (и реальную) температуру горновых газов на 50^oC, изменение содержания кислорода в дутье на 1% - на 38^oC, изменение содержания водяного пара в дутье на 1% - на 72^oC ("Производство чугуна" Технологическая инструкция ТИ 234-Д- 01-88, Донецк, 1988, с. 43,45,54).

Поэтому варьирование составом и количеством газовой смеси, как это предусмотрено в прототипе с целью регулирования температуры чугуна и содержания в нем кремния, титана, приведет к изменению объема горновых газов на 10, 20, 30 и более процентов, чем в результате нормальная работа доменной печи будет неизбежно нарушаться, а расход кокса увеличиваться.

Кроме того, недостатком способа является и то, что не обеспечивается условие взрывобезопасности газовой смеси при наличии в ней кислорода и монооксида углерода.

В основу предлагаемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа управления доменной плавкой путем вдувания в горн печи газовой смеси, состоящей из природного газа и охладителя-окислителя в виде водяного пара или диоксида углерода, что обеспечивает постоянство температуры горновых газов без снижения температуры горячего дутья при снижении доли природного газа в смеси. При этом нужно иметь в виду то, что водяной пар или диоксид углерода являются теми компонентами смеси, которые так же как и природный газ могут в определенном объемном соотношении снижать температуру горновых газов, т.е. компенсировать воздействие природного газа и, в дополнение к этому, быть окислителями по отношению к углеводородам природного газа при совместном их поступлении в зону высоких температур (фурменную зону доменной печи) и за счет реакций конверсии (Рамм А.В. "Современный доменный процесс", Москва, "Металлургия", 1980, с. 259):
CH₄+H₂O ---> СО+3H₂-9211 кДж/м³ CH₄ (1)
CH₄+CO₂---> 2CO+2H₂-11053 кДж/м³ CH₄ (2)
достигать полного окисления углерода углеводородов с увеличением коэффициента замены кокса природным газом.

В предлагаемом способе управления доменной плавкой загружают в печь шихтовые материалы и кокс, вдувают обогащенное кислородом дутье и газовую смесь, содержащую углеводороды (природный газ) и окислительные компоненты, изменяют количественный состав газовой смеси, при этом изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из природного газа и водяного пара, проводят в объемном соотношении 1:1,5, а газовая смесь имеет состав, об.%:
Природный газ - 18-88
Водяной пар - 12-82
и, как вариант, способ управления доменной плавкой, при котором загружают в печь шихтовые материалы и кокс, вдувают обогащенное кислородом дутье и газовую смесь, содержащую углеводороды (природный газ) и окислительные компоненты, изменяют количественный состав газовой смеси, при этом изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из природного газа и диоксида углерода, проводят в объемном соотношении 1:1,25, а газовая смесь имеет состав, об.%:
Природный газ - 18-88
Диоксид углерода - 12-82
Предложенная совокупность признаков позволяет стабилизировать температуру горновых газов при снижении расхода природного газа в единицу времени за счет изменения состава газовой смеси, подаваемой в фурменную зону с сохранением на максимально возможном уровне температуры горячего дутья (охладительный эффект водяного пара и диоксида углерода) с соответствующей экономией кокса и за счет повышения коэффициента замены кокса природным газом (окислительный эффект водяного пара и диоксида углерода), снижать расход природного газа и кокса на тонну чугуна.

Способ осуществляется следующим образом.

К газопроводу перед коллектором - распределителем природного газа по воздушным фурмам доменной печи подведен паропровод с перегретым паром от заводской системы паропитания (или газопровод с двуокисью углерода) для регулируемой его подачи в поток природного газа. После заданного снижения расхода природного газа и замены его расчетным количеством водяного пара или диоксида углерода, газовая смесь смешивается в газопроводе природного газа и коллекторе-распределителе, находящемся от воздушных фурм печи на расстоянии 10-20 м, чем и обеспечивается полная газификация природного газа без пиролиза углеводородов при поступлении в фурменные очаги печи смеси по реакциям (1) и (2).

При этом могут быть следующие ситуации, объясняющие сущность предлагаемого изобретения и позволяющие обосновать пределы изменения расхода природного газа и охладителя-окислителя в газовой смеси для стабилизации температуры горновых газов, их объема и обеспечения нормального противотока горнового газа и шихты в доменной печи, т.е. "ровной ее работы".

Рассмотрим это на примерах.

Пример1.

Доменная печь N 1 ОАО "ДМЗ" объемом 1033 м³ работает на дутье естественной влажности 8-16 г/м³ (1-2% к расходу дутья) с расходом дутья 1850 м³/мин и расходом природного газа 6000 м³/ч (5,4% к дутью). Содержание кислорода в дутье - 22,5%, температура дутья - 1030^oC. Теоретическая температура горения (температура горновых газов), подсчитанная по нижеприведенной формуле:

где t_q - температура дутья, ^oС;
ϕ - влажность дутья, %;
ω - содержание кислорода в дутье, %;
Q_п.г.- расход природного газа, в % к дутью;
Q_кг - расход коксового газа, в % к дутью;
М - расход мазута, г/м³ дутья;
П - расход пылеугольного топлива, г/м³ дутья составляет 2000^oC.

Печь работает ровно, производительно и поэтому считаем, что параметры плавки и теоретическая температура горновых газов являются оптимальными для проплавки привозного агломерата и окатышей в их соотношении 50/50%. Топливо - кокс Донецкого коксохимзавода. Коэффициент замены кокса природным газом составляет 0,7-0,8 кг/м³.

Согласно других источников (Рамм А.В. "Современный доменный процесс", Москва, "Металлургия", 1980, с.226) он может достигать 1,1 кг/м³ и даже 1,3 кг/м³ (Лялюк В.П. "Современные проблемы технологии доменной плавки", Днепропетровск, "Пороги", 1999, с. 47).

Поэтому нижний предел снижения расхода природного газа и замены его водяным паром при обязательном условии эквивалентной температурной компенсации определяем исходя из окислительного эффекта водяного пара в газовой смеси за счет "связанного" кислорода добавляемого водяного пара или диоксида углерода и повышения замены кокса природным газом от 0,7-0,8 до 0,7-1,3 кг/м³, т.е. от или от 12,5 до 46,1%.

Отсюда минимальное содержание пара в газовой смеси для дополнительной газификации природного газа по реакции (1) составляет (основная масса газа окисляется за счет кислорода дутья по реакции
CH₄ + 0,5O₂ ---> CO + 2H₂ - 1591 кДж/м³ CH₄):
6000 · 0,125 = 750 м³/ч или
где 0,464 - плотность пара при температуре 200^oC, кг/м³.

На разложение и подогрев продуктов разложения такого количества пара до температуры горновых газов требуется повышение нагрева дутья на величину (компенсационный нагрев),^oC:

где 1850 - расход дутья на печь, м³/мин;
9 - повышение температуры горячего дутья на каждый 1 г пара в 1 м³ дутья, ^oC (Ефименко Г.Г. и др. "Металлургия чугуна", "Вища школа", Киев, 1974, с. 282).

Для сохранения температуры горновых газов (теоретической температуры горения) без изменения температуры горячего дутья, требуется уменьшить расход природного газа на величину:

где 0,8 - соотношение температуры горновых газов и температуры горячего дутья, ед. ("Производство чугуна" Технологическая инструкция ТИ 234-Д-01-88, Донецк, 1988, с.45, 46);
45 - изменение температуры горнового газа от изменения расхода природного газа на 1000 м³/ч,^oC (там же).

Следовательно, сохранение температуры горновых газов с одновременным повышением коэффициента замены кокса природным газом достигнуто в нашем примере путем снижения расхода природного газа на 500 м³/ч и введением в остальной природный газ, подаваемый в фурмы доменной печи, температурного компенсатора - водяного пара в количестве 750 м³/ч водяного пара, что в объемных процентах равно:
природный газ
водяной пар
с объемным соотношением в изменяемой части газовой смеси природный газ - водяной пар 500 к 750/500 или 1:1,5.

Верхний предел снижения расхода природного газа и замены его водяным паром связан с теми случаями, когда количество природного газа на плавку лимитируется и его расход нужно уменьшать. Экономически целесообразно в этом случае составить и использовать газовую смесь из природного газа и расчетного количества водяного пара с целью сохранения температуры горнового газа без изменения температуры горячего дутья.

Известным является степень увлажнения дутья до 5% (Рамм А.В. "Современный доменный процесс", Москва, "Металлургия", 1980, с. 156). Принимаем, что это количество водяного пара может быть подано в фурменную зону доменной печи вместе с природным газом и вместо его части по условиям температурной компенсации для сохранения температуры горнового газа, их объема.

Исходя из этого, расход водяного пара составит:
1850·60·(40-12) = 3108000 3,11 т/ч,
где 40 - количество пара в увлажненном дутье при его естественной влажности летом 8 г/м³ (5·8 = 40 г/м³);
12 - средняя естественная влажность дутья при колебании лето - зима 8-16 г/м³.

Массовый часовой объемный расход пара составит:

Такое количество пара при подаче его в фурменные очаги доменной печи потребует на разложение и нагрев продуктов разложения тепловой компенсации, равной (40-12) · 9 = 252^oC температуры горячего дутья. Для сохранения теоретической температуры горения на прежнем уровне (2000^oC) необходимо снизить расход природного газа на величину:

Следовательно, газопаровая смесь будет состоять из (6000-4500) м³/ч природного газа и 6700 м³/ч пара, что в объемных процентах составляет:
природный газ
водяной пар
с тем же соотношением природный газ- водяной пар в изменяемой части газовой смеси: 4500 к 6700/4500 или 1:1,5.

Естественно то, что в нашем примере с увеличением замены природного газа от 500³/ч до 4500 м³/ч водяным паром, окисление остального природного газа газовой смеси будет улучшаться с одновременным увеличением коэффициента замены кокса природным газом с 0,7 до 1,3 кг/м³.

Снижение расхода природного газа на величину менее 500 м³/ч (т.е. более 88% в смеси или более ) нецелесообразно, т.к. это приведет к оперированию расходом пара менее 0,348 т/ч и практически не определяемым увеличением коэффициента замены кокса природным газом.

Снижение расхода природного газа более чем на 4500 м³/ч (т.е. менее 18% в смеси) и замена его водяным паром оказывается также нецелесообразным, т.к. чрезмерное насыщение газовой смеси тяжелым водяным паром приводит к неравномерному распределению компонентов смеси по фурмам, что является крайне нежелательным явлением для работы доменной печи с круглой геометрией горна.

Пример 2.

Доменная печь работает на тех же параметрах и в тех же условиях, что и в примере 1. Отличием является то, что в качестве охладителя - окислителя в поток природного газа подается диоксид углерода (CO₂).

Для расчета потребного количества этого реагента, добавляемого к природному газу, принимаются во внимание реакции конверсии природного газа водяным паром и диоксидом углерода (реакции (1) и (2)).

Из уравнения реакций следует, что один объем метана окисляется одним объемом диоксида углерода, тепловые эффекты конверсии метана диоксидом углерода и паром разные, поэтому диоксида углерода "подмешивать" к природному газу нужно будет меньше из-за его более сильного охлаждающего воздействия на величину: 11053/9211=1,20 ед.

Следовательно, газовая смесь будет состоять при условии нижнего предела расхода диоксида углерода:
6000-500 м³/ч (5500 м³ч) природного газа и
750: 1,2 (625 м³/ч) диоксида углерода, что в объемных процентах составляет:
природный газ
диоксид углерода
При условии верхнего предела расхода диоксида углерода газовая смесь в объемных процентах будет состоять:
природный газ
диоксид углерода
с объемным соотношением в изменяемой части газовой смеси природный газ и диоксид углерода, равным 1,5:1,2 = 1,25 ед., т.е. 1:1,25.

Таким образом, изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из природного газа и диоксида углерода, производят в объемном соотношении 1:1,25 и газовая смесь имеет состав, об.%:
Природный газ - 21-90
Диоксид углерода - 10-79
Технико-экономический эффект способа доменной плавки с подачей в фурменные очаги газовой смеси, состоящей из углеводородов и "связанного" кислорода в виде водяного пара или диоксида углерода в соотношениях, обеспечивающих постоянство температуры и объема горновых газов без снижения температуры горячего дутья, заключается в сохранении ровной работы доменной печи и температуры горячего дутья на величину до 250^oC по расчету с соответствующей экономией природного газа, кокса и снижении или сохранении стоимости чугуна.

Согласно руководящего документа "Доменные печи, нормативы расхода кокса", Минмет СССР, Техническое управление, Москва, 1987 г. с. 11, сохранение или увеличение каждых 10^oC температуры горячего дутья позволяет экономить от 0,5 до 0,3% кокса и повышать производительность печи на 0,5-0,3%. Сокращение расхода природного газа приведет за счет ликвидации пиролиза к увеличению коэффициента замены кокса природным газом (коэффициент полезного действия природного газа в доменной плавке) с 0,6 - 0,8 кг/м³ до 1,0-1,3 кг/м³.

В тех случаях, когда прекращают увлажнять холодное дутье, сохраняется также кладка воздухонагревателей и воздухопроводов горячего дутья, т.к. водяной пар в печь подается через тракт подачи природного газа равномерно во времени вместо тракта холодное дутье - воздухонагреватели - воздухопровод горячего дутья с неравномерным поступлением его на фурмы во времени при повышенных расходах.

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах с вдуванием в горн газообразного топлива. Способ управления доменной плавкой включает вдувание в горн печи газовой смеси, состоящей из природного газа и охладителя-окислителя в виде водяного пара или диоксида углерода, снижение расхода природного газа с одновременной компенсацией этого количества газа водяным паром в объемном отношении 1 : 1,5 с пределами составляющих газовой смеси, об.%: природный газ 18-88, водяной пар 12-82. Как вариант, вместо части природного газа в газовую смесь вводят диоксид углерода в объемном соотношении 1 : 1,25 с пределами составляющих газовой смеси, об.%: природный газ 21-90, диоксид углерода 10-79. При использовании изобретения обеспечивается постоянство температуры горновых газов без снижения температуры горячего дутья при уменьшении доли природного газа в смеси. 2 с.п. ф-лы.

1. Способ управления доменной плавкой, включающий загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом дутья и газовой смеси, содержащей углеводороды в виде природного газа и окислительные компоненты в виде водяного пара, изменение количественного состава газовой смеси, отличающийся тем, что изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из 18 - 88 об.% природного газа и 12 - 82 об.% водяного пара, производят в объемном соотношении 1 : 1,5. 2. Способ управления доменной плавкой, включающий загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом дутья и газовой смеси, содержащей углеводороды в виде природного газа и окислительные компоненты в виде диоксида углерода, изменение количественного состава газовой смеси, отличающийся тем, что изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из 21 - 90 об.% природного газа и 10 - 79 об.% диоксида углерода, производят в объемном соотношении 1 : 1,25.