СПОСОБ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ИЗЛИШКОВ КИСЛОРОДА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРЕДПРИЯТИЯ Российский патент 2007 года по МПК C21B5/00 C21C5/00 F23Q13/02 

Изобретение относится преимущественно к повышению эффективности использования кислорода для реализации горения газообразного топлива, используемого в металлургии и энергетике.

Известен способ использования кислорода для интенсификации металлургических процессов - доменной выплавки чугуна и конвертерной плавки стали, а также добавки кислорода к воздуху горения в топливоиспользующих агрегатах [Коршиков Г.В. Энциклопедический словарь-справочник по металлургии // Липецк, Липецкое издательство Госкомпечати РФ, 1998, С.245-246]. При этом в результате работы металлургического комбината, имеющего в своем составе кислородный цех, возникают излишки кислорода вследствие нижеследующих причин:

A) Количество кислорода, вырабатываемого несколькими блоками разделения воздуха, превосходит потребности его потребителей. В то же время даже один блок разделения не может быть остановлен, поскольку количество кислорода, вырабатываемого одним блоком таково, что его остановка приведет к превышению среднего или пикового потребления над выработкой - потери из-за кратности работающего оборудования.

Б) Потребление кислорода доменными печами периодически снижается по технологическим причинам - изменение состава загружаемой шихты, качества кокса, «перегрев печи», снижение подачи природного газа на фурмы и пр. В этом случае излишек вырабатываемого кислорода, за исключением той его части, которая может быть перераспределена на конвертерный и мартеновский цеха, сбрасывается в атмосферу на период снижения потребления - недопотребление кислорода доменным переделом.

B) Потребление кислорода конвертерными агрегатами характеризуется ярко выраженной неравномерностью: в течение всего периода от завалки шихты до разливки стали кислород требуется лишь в течение небольшого времени (12-18 минут) - собственно продувки. В этот момент потребление газа достигает существенных значений, когда расход кислорода на один конвертер перекрывает потребление нескольких доменных печей. В остальное время кислород не требуется вообще. Давление сжатого кислорода в сетях предприятия претерпевает колебания в пределах от нижнего до верхнего рабочих значений. В случае превышения верхнего предела давления производится (тем или иным способом) уменьшение производительности нагнетателей, а излишек вырабатываемого кислорода сбрасывается в атмосферу - потери из-за неравномерности работы конвертерного передела.

Суммарное количество кислорода, сбрасываемого в атмосферу вследствие а) потерь из-за кратности работающего оборудования, б) недопотребления кислорода доменным переделом и в) потерь из-за неравномерности работы конвертерного передела, является излишками кислорода.

Как было отмечено выше, недостатком известного способа использования кислорода для интенсификации металлургических процессов являются значительные потери данного энергоресурса, обусловленные неравномерным или периодическим его потреблением, в то время как процесс выработки кислорода в результате разделения воздуха на газообразные компоненты - постоянный и слабо регулируемый по производительности.

Недостатком известного способа использования кислорода является потребление в топливной смеси значительного количества природного газа - дорогостоящего внешнего энергоресурса, в то время как на металлургических предприятиях имеются значительные излишки относительно дешевого внутреннего энергоресурса - доменного газа. Добавление в топливную смесь природного газа обусловлено низкой калорийностью доменного газа, не позволяющей достичь необходимой по технологии температуры горения.

Кроме того, на горелочных устройствах методических печей и зажигательных горнов не используется кислород, сбрасываемый в атмосферу, поскольку на данные топливоиспользующие агрегаты подается фиксированное по расходу количество окислителя. Однако кислород - ценный энергоноситель, требующий для своего производства значительного количества электроэнергии. Соответственно его использование с постоянным расходом должно быть оправдано более значительным снижением издержек по другим статьям теплового баланса горения, что в настоящее время недостижимо.

Также в известном способе использования кислорода предусматривается подача на горелочные устройства сжатого кислорода после нагнетателей. Это увеличивает энергетические затраты и соответственно себестоимость используемого кислорода.

Техническая задача, на решение которой направлено предлагаемое решение - использование дешевого топлива (доменного газа) за счет подачи излишков кислорода, возникающих в системе трубопроводов, в воздух горения горелочных устройств топливоиспользующих агрегатов. Повышение процентного содержания кислорода в воздухе позволит при той же температуре горения снизить количество природного газа в топливной смеси либо получить большую температуру горения.

Это достигается тем, что периодически или постоянно возникающие излишки кислорода в системе трубопроводов кислорода металлургического предприятия подмешиваются в воздух горения, подаваемый для сжигания топливной смеси в горелочных устройствах топливоиспользующих агрегатов из системы коллекторов блоков разделения воздуха при изменении в них давления в пределах от 8 до 35 кПа без дополнительных затрат на сжатие кислорода. При этом расход кислорода, подмешиваемого в воздух горения, меняется от нуля до величины производительности одного блока разделения воздуха, равной 30000 Нм³/ч (в случае наличия излишков кислорода, превышающих указанную величину, принимается решение об остановке одного блока разделения воздуха), с одновременным изменением состава и расхода топлива и воздуха горения.

При этом нижний предел давления кислорода в системе, при котором реализуется подача его на горелочные устройства топливоиспользующих агрегатов, определяется выходным давлением нагнетателей воздуха горения. При достижении давления в системе коллекторов блоков разделения воздуха уровня 8 кПа оно сравнивается с таковым же на нагнетании вентиляторов воздуха горения топливоиспользующих агрегатов (например, доменных воздухонагревателей) и становится возможным перепуск кислорода в коммуникации воздуха горения данных агрегатов. Верхний предел давления кислорода в системе его трубопроводов определяется максимально допустимым давлением на выходе из блоков разделения воздуха. При достижении уровня в 35 кПа давление в системе коллекторов сравнивается с давлением в верхних колоннах блоков разделения воздуха и выдача кислорода из агрегатов становится невозможной.

Сопоставительный анализ заявляемого решения с прототипом показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что, во-первых, используются излишки кислорода, имеющие произвольный по времени расход. Во-вторых, в зависимости от величины расхода кислорода, подмешиваемого в воздух горения, уменьшается количество природного газа в топливной смеси. В-третьих, подача кислорода осуществляется из системы коллекторов блоков разделения воздуха с давлением от 8 до 35 кПа и расходом в пределах от нуля до 30000 Нм³/ч, без дополнительных затрат на сжатие газа, в зависимости от давления в трубопроводе.

В соответствии с расчетным алгоритмом при появлении излишков кислорода, что сопровождается повышением давления в системе коллекторов блоков разделения воздуха в пределах от 8 до 35 кПа, они направляются на обогащение воздуха горения горелочных устройств топливоиспользующих агрегатов. Далее реализуется следующая процедура. При увеличении объема кислорода, добавляемого в воздух горения топливоиспользующих агрегатов от нуля до 30000 Нм³/ч, снижается расход природного газа, обеспечивая необходимый уровень температуры горения. При уменьшении добавки кислорода в воздух горения реализуется обратная процедура: постепенное увеличение расхода природного газа.

При изучении других известных технических решений в данной области техники описанные выше признаки, отличающие заявляемое изобретение от прототипа, не были выявлены.

Пример. Крупнейшими потребителями кислорода металлургического комбината полного цикла являются доменный и конвертерный переделы. При этом потребление в обеих технологиях не является равномерным. На всас дутьевых воздуходувок доменных печей непрерывно подается кислород низкого давления. В случае технологической необходимости уменьшения его процентного содержания в дутье оперативный персонал цеха ставит в известность персонал кислородного производства о количестве снимаемого объема кислорода. Поскольку технологический кислород (5% примесей) не удовлетворяет стандартам прочих потребителей, а газгольдеры на низкое давление выведены из эксплуатации на металлургических предприятиях, данное количество кислорода целиком возвращается в атмосферу и может быть отнесено к чистым потерям - недопотребление кислорода доменным переделом.

При снабжении кислородом конвертерного производства, в случае достижения предельного значения давления в системе трубопроводов сжатого кислорода (в среднем порядка 3 МПа), оперативный персонал кислородного производства производит снижение загрузки компрессии. Величину возникающей при этом избыточной выработки кислорода можно считать потерями по причине неравномерности работы сталеплавильного производства.

Установлено, что потери кислорода по вине доменного производства подчиняются экспоненциальному закону распределения, а потери из-за неравномерной работы конвертерных цехов - модели гамма-распределения. Обработка данных по крупному металлургическому предприятию РФ показывает: с вероятностью 90% можем утверждать, что потери, приведенные к среднему за час расходу кислорода, составят не менее:

- по доменному переделу 600 м³/ч;

- по конверторному переделу 1900 м³/ч;

- суммарные потери ˜ 2500 м³/ч.

Использование данного количества кислорода в качестве добавки к воздуху горения на горелочных устройствах таких топливоиспользующих агрегатов, как доменные воздухонагреватели, позволит получить значительную экономию природного газа. Так первоначально (без добавления кислорода) на нагрев насадки одного воздухонагревателя используется порядка 87000 м³/ч смешанного газа с долей природного газа 5% (4300 м³/ч) и коэффициентом избытка воздуха 1,2. При этом достигается калориметрическая температура - 1360°С. Добавление 2500 м³/ч кислорода при одновременном увеличении подачи доменного газа на 28000 м³/ч и снижении коэффициента избытка воздуха до 1,10 позволит снизить долю природного газа в смеси до 1,5% (на 2500 м³/ч), а в случае наличия максимально возможных излишков кислорода подачу природного газа можно свести до нуля. Калориметрическая температура и объем продуктов сгорания, а следовательно, и условия нагрева дутья при этом практически не изменятся. В то же время годовая экономия природного газа составит 22 млн.м³.

Изобретение относится к области металлургии, преимущественно к повышению эффективности использования излишков кислорода. Способ включает подачу излишков кислорода в воздух горения горелочных устройств топливоиспользующих агрегатов из системы коллекторов блоков разделения воздуха при изменении в них давления в пределах от 8 до 35 кПа, без дополнительных затрат на сжатие кислорода, и поддержание требуемого уровня горения изменением расхода кислорода в пределах до 30000 Нм³/ч с одновременным изменением состава и расхода топлива и воздуха горения. Использование изобретения обеспечивает значительную экономию природного газа.

Способ использования излишков кислорода металлургического предприятия, характеризующийся тем, что он включает подачу излишков кислорода в воздух горения горелочных устройств топливоиспользующих агрегатов из системы коллекторов блоков разделения воздуха при изменении в них давления в пределах от 8 до 35 кПа без дополнительных затрат на сжатие кислорода, и поддержание требуемого уровня горения изменением расхода кислорода в пределах до 30000 Нм³/ч с одновременным изменением состава и расхода топлива и воздуха горения.