ПЫЛЕУГОЛЬНОЕ ТОПЛИВО ДЛЯ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ Российский патент 2012 года по МПК C10L5/00 C21B5/00 

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменном производстве, снабженном оборудованием для вдувания специально подготовленного пылеугольного топлива в горн доменной печи.

Одним из наиболее уязвимых мест доменного производства является очень высокая энергоемкость, причем, таких дефицитных и дорогих энергоресурсов, как кокс, мазут, природный газ. В современном доменном производстве стоимость топлива составляет до 50% себестоимости чугуна. Таким образом, уровень затрат кокса, как основного вида топлива в доменной печи, на 1 т чугуна - универсальный показатель эффективности и конкурентоспособности как доменного производства, так и всей металлургической области в целом, колеблется от 250 кг до 600 кг на 1 т чугуна, и определяется качеством сырья и кокса, а также дополнительными компенсирующими видами топлива, которые могут составлять от 30 до 50%. Анализ передовых доменных технологий показывает, что наиболее эффективным способом, позволяющим существенно сократить затраты кокса, сохранить высокий уровень производительности доменных печей и качество чугуна, является вдувание пылеугольного топлива (ПУТ). Такая технология может обеспечить снижение расхода кокса от 200 кг на 1 т чугуна.

Наиболее близким, по технической сущности к заявляемому изобретению, является пылеугольное топливо (ПУТ) для доменных печей, содержащее тонкоизмельченые тощие (Т) угли, при этом в состав пылеугольного топлива дополнительно введены газовые (Г) угли, при следующем соотношении компонентов в смеси, вес.%:

Тошие угли - 50-90

Газовые угли - 50-10

[Авторское свидетельство №890732, кл. С21В 5/00, опублик. 19.05.1978].

Основными недостатками известного ПУТ, состоящего из смеси углей вышеуказанного марочного состава являются следующие:

- в балансовых ресурсах малометаморфизированных углей марки Г большинство углей (75%) являются высокосернистыми, со средним показателем серы , и только около 25% добываемых углей марки Г имеют средний показатель по содержанию серы . Добываемые высокометаморфизированные угли включают высокое содержание серы, в среднем . Одним из главных требований к технологии ПУТ является то, чтобы общее содержание серы во вдуваемом угле не превышало его содержание в используемом коксе. При этом среднее содержание серы в высококачественном коксе (например, марки "Премиум") составляет не более 0,85%, а минимальную сернистость в ПУТ, при использовании вышеуказанных ресурсов углей, можно обеспечить только на уровне 2,2-2,3%, т.е. практически невозможно, оперируя только марочным составом, выполнять требование, ограничивающее содержание серы в ПУТ;

- ограничение потенциальных ресурсов для приготовления ПУТ, т.к. не предусмотрено использование углей марок Д (длиннопламенный), ДГ (длиннопламенный газовый), СС (слабоспекающийся), КСН (коксовый слабоспекающийся низкометаморфизированный) и А (антрацит).

Для приготовления ПУТ рекомендовано использовать так называемые "мягкие" (слабоспекающиеся и неспекающиеся) угли [Ю.С.Васильев, И.Д.Дроздник. «Сырьевая база для технологии вдувания пылеугольного топлива в доменные печи заводов Украины». Труды международной научно-технической конференции «Пылеугольное топливо - альтернатива природному газу при выплавке чугуна» - Донецк: УНИТЕХ, 2006, стр 134-139]. В соответствии с ДСТУ 3472-96 "Угли бурые, каменные и антрацит. Классификация», к таким углям относятся марки Д, ДГ, Г, Т и А (антрацит). В соответствии с ГОСТ 25543-82 "Угли бурые, каменные и антрацит. Классификация", к таким углям относятся также марки КСН и СС. В прототипе ограничены потенциальные ресурсы для приготовления ПУТ, т.к. не предусмотрено использование углей марок Д, ДГ, СС, КСН и А;

- коэффициент замены кокса пылеугольным топливом в доменной печи находится в функциональной зависимости от зольности ПУТ и кокса :

где К_п - коэффициент замены кокса пылеугольным топливом;

- зольность пылеугольного топлива;

- зольность кокса.

Таким образом, эффективность использования ПУТ тем выше, чем меньше его зольность, что и является одним из главных требований, предъявляемых к углю для данной технологии.

Принадлежность углей к той или другой марке, в частности к углям марок Г и Т, не гарантирует требований к его качеству по показателю A^d. Так, при средней по Украине зольности концентратов угля Г и Т в 9%, коэффициент замены кокса углем составляет 0,88-0,92% при среднемировых показателях 0,96-1,1%.

Итак, вышеперечисленные недостатки прототипа не обеспечивают интенсификацию сгорания ПУТ в зоне фурм доменной печи и интенсификацию доменной плавки, не повышают коэффициент замены кокса пылеугольным топливом в доменной печи.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования пылеугольного топлива для доменной печи, в котором приготовление пылеугольного топлива в виде смеси малосернистого и низкозольного угля организовано таким образом, чтобы суммарное содержание высоколетучего угля в смеси было не более 60%, а суммарное содержание низколетучего, с более высокой теплотворной способностью, угля - не менее 40%, что обеспечивает оптимизацию технологических параметров угля для приготовления ПУТ. В результате интенсифицируется сгорание ПУТ в зоне фурм доменной печи, снижаются удельные потери кокса в доменном производстве чугуна, интенсифицируется доменная плавка, улучшаются теплотехнические показатели работы доменной печи, повышается коэффициент замены кокса в доменной печи пылеугольным топливом.

Поставленная задача решается тем, что в пылеугольном топливе для доменной печи, содержащем тонкоизмельченный уголь, согласно изобретению предусмотрены следующие отличия:

- пылеугольное топливо приготовлено в виде смеси малосернистого и низкозольного углей таким образом, чтобы суммарное содержание высоколетучих углей в смеси было не более 60%, а суммарное содержание низколетучих, с более высокой теплотворной способностью, углей - не менее 40%;

- показатели технического анализа пылеугольного топлива в перерасчете на сухую массу топлива, должны отвечать следующим требованиям: A^d≤8,5%; ; V^d≤30,0%, где

A^d - зольность;

- содержание общей серы;

V^d - выход летучих веществ.

Влияние на механизм горения топлива, теплотехнические показатели работы доменной печи, а следовательно, на интенсификацию доменной плавки смеси углей, удовлетворяющей вышеуказанному составу и показателям технического анализа состоит в следующем:

- Компоновка смеси пылеугольного топлива для доменной печи.

При воспламенении природных твердых топлив, к которым относятся каменные угли, на начальных стадиях их горения, особенно важную роль выполняют летучие вещества угля: чем больше их содержится в начальном топливе, тем, при других равных условиях, быстрее происходит его воспламенение, и тем интенсивнее оно выгорает.

В приготовленном для вдувания ПУТ его частицы имеют средний диаметр ≤100 мкм, интенсивность выхода летучих веществ при нагревании и термической деструкции органической массы из поверхности твердой фазы меньше интенсивности их отвода из пограничного слоя. Концентрация летучих в пограничном слое становится исчезающе малой (она прямо пропорциональна квадрату радиуса частицы), при этом становится возможным доступ окислителя к поверхности твердого тела частицы топлива и его горения в температурных условиях горна доменной печи, причем горение летучих происходит в объеме факела между твердыми частицами.

Результаты расчетов и экспериментальных исследований ("Основы практической теории горения" под ред. В.В.Померанцевая, Л., Энергоатомиздат, 1986, стр.225-235) показывают, что при воспламенении частиц малого размера (≤200 мкм) концентрация окислителя на ее поверхности не намного отличается от концентрации окислителя в среде. Этот вывод сохраняется и для совокупности мелких частиц (факела). Летучими насыщаются не только пограничный слой около частиц угля с высоким выходом летучих веществ, но и весь пыле-кислородно-воздушный поток. Таким образом, при воспламенении и на начальных стадиях горения факела в условиях горна доменной печи, твердое тело частицы ПУТ принимает участие в окислении.

Таким образом, процесс воспламенения и горения аэровзвеси топливной смеси можно разбить на три этапа:

1) термодеструкция органической массы топлива с выделением летучих веществ и образование горючей смеси: летучие+окислитель;

2) воспламенение и горение смеси;

3) процесс горения летучих веществ и твердого остатка.

Время на подготовку смеси летучих и окислителя, на воспламенение смеси и выгорание основной массы летучих (гомогенное горение) значительно меньше, чем время выгорания твердой массы (до 90% времени выгорания твердой фазы топлива). Поэтому, несмотря на то, что основу факела в тепловом и количественном соотношении составляют твердые частицы, летучие играют существенную роль при воспламенении факела, поскольку являются дополнительным источником тепла, ускоряющим воспламенение твердой фазы, в том числе и углей с низким выходом летучих веществ. Участие в составе ПУТ углей с повышенным выходом летучих веществ (углей марок Д и ДГ) приведет к суммарному увеличению выхода летучих веществ из готовой пылеугольной смеси (оптимальное рассчитанное значение V^daf≤30,0%), а именно, к более быстрому сгоранию ПУТ.

Таким образом, добавки к угольной смеси высоколетучих углей марок Д, ДГ, и Г в количестве до 60% улучшают кинетику процесса горения твердого топлива, в т.ч. и угольных частиц углей марок КСН, СС, Т и А, имеющих минимальный выход летучих веществ.

Проведенные авторами предложенного изобретения опыты по изучению динамики выгорания угольных частиц, различающихся по выходу летучих веществ, показывают, что существенным фактором, определяющим условия сгорания твердых топливных частиц в фурменной зоне, является реакционная способность определенного вида топлива. После термодеструкции органической массы угольной частицы ПУТ и сгорания летучих веществ, скорость сгорания твердого остатка определяет его реакционная способность, поэтому повышенное (до 60%) содержание в смеси высоколетучих, а следовательно, и высокореакционных углей, обеспечивает высокую степень выгорания ПУТ в фурменной зоне. Это уменьшает количество недогоревших частиц ПУТ, которые либо попадают в шлак, повышая его вязкость, либо уносятся в шахтную зону, где налипают на куски кокса. Кроме того, несгоревшие частицы пылеугольного топлива адсорбируются на поверхности шлаков и резко снижают их способность свободно фильтровать через себя капли чугуна. При контакте с фурмами лужи чугуна, которые скапливаются на поверхности таких шлаков, вызывают их массовое "горение". Таким образом, пленка адсорбированной угольной пыли ведет себя так же, как и пленка адсорбированной сажи пиролиза природного газа: она способна удерживать на поверхности шлаков сравнительно большие массы чугуна, т.е. ведет себя как твердое тело (своеобразный гибкий противень). Прочность такой пленки зависит от поверхностных свойств шлаков.

Ограничение в 60% принято в основном из следующих соображений:

- правил техники безопасности, т.к. при приготовлении ПУТ необходимы дополнительные меры по оснащению технологической схемы взрывоопасным оборудованием;

- суммарного снижения низшей теплоты сгорания топлива (Q₁) вследствие уменьшения содержания углерода и одновременного повышения содержания кислорода в органической массе высоколетучего компонента ПУТ (увеличение содержания водорода не является превалирующим фактором);

- Зольность.

Наличие минеральных включений в природном топливе (которое определяется показателем зольности A^d) при полном размоле в процессе приготовления ПУТ существенного влияния на механизм горения топлива не оказывает, т.к. и внутренняя и внешняя части минеральной части природного топлива отделяются при размоле от горючей части. Таким образом, рассматривается горящая частица, состоящая, в основном, из углерода. Однако, повышенное содержание негорючей минеральной части в ПУТ снижает теплоту его сгорания. Кроме того, зольная часть ПУТ, полученная из минеральной части природного топлива, при его полном сгорании в фурменной зоне, отбирает часть тепла, полученного при сжигании части ПУТ, на плавление золы.

Эти факторы существенно влияют на тепловой баланс процесса плавки чугуна, температуру в горне доменной печи и температуру факела в фурменной зоне. В свою очередь, это приводит к снижению интенсивности доменной плавки и снижению производительности доменной печи. Производственный опыт показывает, что при коэффициенте замены кокса ПУТом, равным 1, повышение зольности ПУТ на 1% снижает производительность доменной печи на 1-3%. К тому же, при повышении зольности ПУТ, снижается коэффициент замены кокса пылеугольным топливом, определяющим эффективность данного вида ПУТ. По расчетным данным, при среднем значении показателя зольности для ПУТ, равным 8%, а для кокса марки "Премиум" - 11%, коэффициент замены кокса пылеугольным топливом составляет 1, следовательно, показатель зольности ПУТ A^d должен быть не более 8,5%;

- Сера, содержащаяся в природном топливе, также снижает теплоту сгорания ПУТ, т.к. из трех горючих компонентов: углерода, водорода и серы, сера имеет наименьшую теплоту сгорания (Q_н углерода = 33900 кДж/кг, Q_н водорода = 103000 кДж/кг, Q_н серы 10900 кДж/кг), а часть серы входит в состав негорючих соединений, например, сульфатов. Кроме того, кокс и ПУТ - единственные поставщики серы в доменную печь. Сера, переходя в чугун, придает ему свойство "красноломкости", а попадая в шлак, резко повышает его вязкость. Поэтому есть строгие ограничения на содержание серы в коксе и в ПУТ. Производственный опыт показывает, что при коэффициенте замены кокса ПУТом, равным 1, повышение сернистости ПУТ на 0,1% снижает производительность доменной печи на 1-3%. Следовательно, требуется ограничение содержания серы в ПУТ. Известно, что сернистость ПУТ не должна превышать сернистости кокса. Например, сернистость кокса марки «Премиум», применяемого в доменной плавке совместно с ПУТ, не должно превышать 0,85%, следовательно, и сернистость ПУТ также должна быть ≤0,85%.

Пример 1.

Для приготовления пылеугольного топлива, отвечающего формуле изобретения по заявленному способу, используем 4 марки угля, из которых две представляют собой высоколетучие, низкозольные и малосернистые угли марок:

- Д (длиннопламенный), шахта Павлоградская (Украина) с показателями технического анализа A^d=10,9%; ; V^d=41,3%;

- Г (газовый), ЦОФ «Шолоховская» (Российская Федерация) с показателями технического анализа A^d=6,8%; ; V^d=34,5%;

и две марки углей низколетучих, низкозольных и малосернистых углей:

- СС (слабоспекающейся), разрез Черниговец (Российская Федерация) с показателями технического анализа: A^d=8,5%; ; V^d=23,2%;

- Т (тощие) шахта Глубокая (Украина) с показателями технического анализа: A^d=10,1%; ; V^d=11,0%.

Доля участия в смеси для приготовления ПУТ высоколетучих углей составляет: Д-5% (вес.), Г-53% (вес.). В сумме 58%, что соответствует заявленным <60% в формуле изобретения.

Доля участия в смеси для приготовления ПУТ низколетучих углей составляет: СС-17% (вес.), Т-25% (вес.). В сумме 42% (вес.), что соответствует заявленным >40% в формуле изобретения.

Показатели технического анализа 4-х компонентной смеси углей разной степени метаморфизма составляют: A^d=8,12%<8,5%; и V^d=27,04%<30%.

То есть по всем признакам приготавливаемое нами ПУТ в примере 1 соответствует формуле изобретения заявляемого способа.

Пример 2.

Для приготовления пылеугольного топлива, отвечающего формуле изобретения по заявленному способу, используем 4 марки угля, из которых две представляют собой высоколетучие, низкозольные и малосернистые угли марок:

- ДГ (длиннопламенный газовый), шахта Южно-Донбасская №1 (Украина) с показателями технического анализа A^d=7,3%; ; V^d=38,1%;

- Г (газовый), шахта «Заречная» (Российская Федерация) с показателями технического анализа A^d=7,6%; ; V^d=42,1%;

и две марки углей низколетучих, низкозольных и малосернистых углей:

- СС (слабоспекающейся), разрез Кедровский (Российская Федерация) с показателями технического анализа: A^d=7,0%; V^d=22,7%;

- А (антрацит) марки АКО ГП Торезантрацит (Украина) с показателями технического анализа: A^d=7,0%; ; V^d=4,5%.

Доля участия в смеси для приготовления ПУТ высоколетучих углей составляет: ДГ-5% (вес.), Г-45% (вес.). В сумме 50%, что соответствует заявленным <60% в формуле изобретения.

Доля участия в смеси для приготовления ПУТ низколетучих углей составляет: СС-20% (вес.), А-30% (вес.). В сумме 50% (вес.), что соответствует заявленным >40% в формуле изобретения.

Показатели технического анализа 4-х компонентной смеси углей разной степени метаморфизма составляют: A^d=7,29%<8,5%; и V^d=26,74%<30%.

То есть по всем признакам приготавливаемое нами ПУТ в примере 2 соответствует формуле изобретения заявляемого способа.

Пример 3.

Для приготовления пылеугольного топлива, отвечающего формуле изобретения по заявленному способу, используем 3 марки угля, из которых одна представляет собой высоколетучий, низкозольный и малосернистый уголь марки ДГ (длиннопламенный газовый), шахта Лидиевка (Украина) с показателями технического анализа A^d=6,7%; ; V^d=35,0%;

и две марки углей низколетучих, низкозольных и малосернистых углей:

- Т (тощие), шахта Красная звезда (Украина) с показателями технического анализа: A^d=4,0%; ; V^d=14,0%;

- А (антрацит) марки АО ГП Торезантрацит (Украина) с показателями технического анализа: A^d=9,0%; ; V^d=4,2%.

Доля участия в смеси для приготовления ПУТ высоколетучих углей составляет: ДГ-35% (вес.), что соответствует заявленным <60% в формуле изобретения.

Доля участия в смеси для приготовления ПУТ низколетучих углей составляет: Т-20% (вес.), А-45% (вес.). В сумме 65% (вес.), что соответствует заявленным >40% в формуле изобретения.

Показатели технического анализа 3-х компонентной смеси углей разной степени метаморфизма составляют: A^d=7,2%<8,5%; и V^d=16,94%<30%.

То есть по всем признакам приготавливаемое нами ПУТ в примере 3 соответствует формуле изобретения заявляемого способа.

Применение предложенного пылеугольного топлива позволит:

- оптимизировать технологические параметры углей для приготовления ПУТ;

- интенсифицировать сгорание ПУТ в зоне фурм доменной печи, и, следовательно, интенсифицировать доменную плавку и улучшить теплотехнические и технико-экономические показатели работы доменной печи;

- снизить удельный расход кокса в доменном производстве чугуна;

- повысить коэффициент замены кокса в доменной печи ПУТом.

Изобретение относится к пылеугольному топливу для доменной печи и предназначено для выплавки чугуна. Топливо состоит из смеси малосернистого и низкозольного угля, при содержании высоколетучего угля в смеси не более 60% и низколетучего угля - не менее 40%, при этом показатели технического анализа в пылеугольном топливе в перерасчете на сухую массу топлива, должны отвечать требованиям: A^d≤8,5%; ; V^d≤30,0%, где: A^d - зольность; - содержание общей серы; V^d - выход летучих веществ. Технический результат - изобретение позволяет получить пылеугольное топливо с оптимальными технологическими параметрами угля, интенсифицировать сгорание топлива в зоне фурм доменной печи, снизить удельный расход кокса в доменном производстве чугуна, улучшить теплотехнические показатели работы доменной печи, повысить коэффициент замены кокса пылеугольным топливом в доменной печи. 3 пр.

Пылеугольное топливо для доменной печи, содержащее тонкоизмельченные угли, отличающееся тем, что пылеугольное топливо приготавливают в виде смеси малосернистых и низкозольных углей таким образом, чтобы суммарное содержание высоколетучих углей в смеси было не более 60%, а суммарное содержание низколетучих углей с более высокой теплотворной способностью - не менее 40%, при этом показатели технического анализа в пылеугольном топливе, в перерасчете на сухую массу топлива, должны отвечать следующим требованиям:
A^d≤8,5%; ; V^d≤30,0%,
где A^d - зольность;
- содержание общей серы;
V^d - выход летучих веществ.