СПОСОБ РАБОТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ И КОПЬЕ Российский патент 2018 года по МПК C21B7/00 C21B7/16 

Область техники

Настоящее изобретение относится к способу работы доменной печи, эффективному для повышения производительности и снижения удельного расхода восстановителя за счет вдувания в доменную печь воспламеняемого газообразного восстановителя, в частности, СНГ (сжиженный природный газ) или горючего газа вместе с твердым восстановителем, таким как угольная пыль (пылевидный уголь) или подобным восстановителем через дутьевые фурмы для повышения температуры горения на конце фурм. Изобретение относится также к копью, используемому для осуществления этого способа.

Уровень техники

В последнее время глобальное потепление связывается с проблемой увеличения выбросов в атмосферу двуокиси углерода, и уменьшение выбрасываемой СО₂ становится важной проблемой черной металлургии. В связи с этим современные доменные печи переводят на функционирование с низким содержанием восстановительного агента (сокращенно именуемым СВА, представляющим собой общее количество восстановителя, вдуваемого через фурмы, и кокса, отводимого с верха печи, приходящееся на 1 тонну доменного чугуна). Поскольку в качестве восстановителя в доменных печах используют, главным образом, кокс и угольную пыль, для обеспечения низкого количества восстановительного агента и, следовательно, снижения выбросов двуокиси углерода, эффективным решением является замена кокса или подобного вещества восстановителем с высоким содержанием водорода, таким как отходы пластмассы, СПГ, мазут или тому подобное.

В патентном документе 1 описан способ, в котором твердый восстановитель, газообразный восстановитель и горючий газ вдувают одновременно посредством множества фурм так, чтобы твердый восстановитель нагревался в зоне горения газообразного восстановителя. При описании этого способа сообщается, что для снижения количества несгоревшей пылевидной фракции или мелкого кокса может быть повышена скорость горения твердого восстановителя, чтобы тем самым повысить пропускную способность по воздуху и уменьшить содержание восстановителя. В патентном документе 2 описан способ, в соответствии с которым используют копье многотрубного типа (с коаксиальными трубками), в котором, например, твердый восстановитель вдувают через внутреннюю трубку, горючий газ вдувают через зазор, образованный между внутренней трубкой и средней трубкой, а газообразный восстановитель вдувают через зазор между средней трубкой и внешней трубкой. Кроме того, согласно изложенному в патентном документе 3, вокруг основной трубки копья размещены параллельно трубки небольшого размера.

Известные источники информации

Патентные документы.

Патентный документ 1: JP-A-2007-162038

Патентный документ 2: JP-A-2003-286511

Патентный документ 3: JP-A-H11-12613

Раскрытие изобретения

Задача, решаемая настоящим изобретением

Способ работы доменной печи, описанный в патентном документе 1, обеспечивает повышение температуры горения на конце фурмы и снижение удельного расхода восстановителя по сравнению со способом вдувания через фурму только угольной пыли, однако этот эффект, достигаемый лишь за счет надлежащего выбора позиций вдува, является недостаточным. В копье многотрубного типа, описанном в патентном документе 2, для обеспечения охлаждения копья необходимо увеличить скорость дутья с внешней стороны копья. Для этого зазор между внутренней трубкой и внешней трубкой должен быть очень узким, и поэтому он не может пропускать предварительно заданное расчетное количество газа, принимая во внимание ограничения, связанные с используемым оборудованием. Следовательно, существует опасность не получить эффект улучшения сгораемости. Если существует намерение установить необходимые скорость и расход газа, диаметр копья становится очень большим и обуславливает снижение расхода дутья в дутьевой трубе (в сопле), и, следовательно, уменьшается количество выпущенного расплавленного чугуна, или увеличивается опасность разрыва (повреждения) окружающей футеровки, связанная с увеличением диаметра отверстия для ввода копья. В копье, известном из патентного документа 3, размещен ряд нагнетательных трубок небольшого диаметра, вследствие чего существуют проблемы, связанные с тем, что не только повышается опасность закупоривания нагнетательной трубки вследствие уменьшения эффективности охлаждения копья, но также увеличивается стоимость производства копья. Помимо этого вместо многотрубной конструкции используется конструкция из параллельных труб, и в результате возникает проблема, связанная со значительными потерями давления и большим диаметром копья.

Задача настоящего изобретения заключается в обеспечении способа работы доменной печи, который может решить вышеупомянутые проблемы, присущие известным способам, а также в обеспечении копья, используемого при осуществлении этого метода.

В частности, задача изобретения заключается в обеспечении способа работы доменной печи, который может повысить эффективность охлаждения, улучшить воспламеняемость и уменьшить удельный расход восстановителя без значительного увеличения диаметра копья.

Решение задачи

Настоящее изобретение создано для решения вышеуказанных задач и его объектом является способ работы доменной печи с вдуванием твердого восстановителя, газообразного восстановителя и горючего газа в доменную печь из фурм с помощью копья. Предложенный способ отличается тем, что используется копье параллельного типа (с параллельными трубками), изготовленное путем объединения в пучок параллельно трех независимых нагнетательных трубок и совместного их размещения во внешней трубке копья, и один или оба из газообразного восстановителя и горючего газа вместе с твердым восстановителем одновременно вдувают через соответствующие нагнетательные трубки, при этом при нагнетании через копье параллельного типа нагнетательная трубка для твердого восстановителя и нагнетательные трубки для газообразного восстановителя установлены над нагнетательной трубкой для горючего газа.

Кроме того, объектом изобретения является копье для вдува твердого восстановителя, газообразного восстановителя и горючего газа в доменную печь через фурмы, характеризующееся тем, что оно имеет конструкцию, в которой три независимые нагнетательные трубки объединены вместе в пучок параллельно и размещены все вместе во внешней трубке копья, при этом один или оба из газообразного восстановителя и горючего газа вдувают одновременно с твердым восстановителем, а соответствующие нагнетательные трубки размещены с взаимным расположением, при котором нагнетательная трубка для твердого восстановителя и нагнетательная трубка для газообразного восстановителя расположены выше нагнетательной трубки для горючего газа.

В изобретении используются перечисленные ниже предпочтительные средства, а именно:

(1) нагнетательная трубка для твердого восстановителя, нагнетательная трубка для газообразного восстановителя и нагнетательная трубка для горючего газа, размещенные в копье параллельного типа так, что угол, образованный плоскостью, проходящей через точку внешнего контакта между центром нагнетательной трубки для твердого восстановителя и внешней трубкой копья, и радиальной вертикальной плоскостью копья, введенного в сопло для подачи воздуха, находится в пределах ±90°; и

(2) каждая из нагнетательных трубок имеет внутренний диаметр не менее 6 мм, но не более 30 мм.

Технический результат изобретения

В соответствии с изобретением используется копье параллельного типа, изготовленное путем объединения параллельно в пучок соответствующих нагнетательных трубок и совместного размещения их во внешней трубке копья, причем твердый восстановитель, воспламеняемый газообразный восстановитель и горючий газ вдувают в доменную печь одновременно, и тем самым канал нагнетательной трубки может быть увеличен без увеличения внешнего диаметра копья. Таким образом, согласно изобретению предпринята попытка повысить эффективность охлаждения и улучшить сгораемость, и в результате может быть достигнуто снижение удельного расхода восстановителя при работе доменной печи.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1 - продольный разрез, иллюстрирующий пример используемой доменной печи.

Фиг. 2 - изображение, поясняющее процесс горения в случае, когда через копье вдувают только угольную пыль.

Фиг. 3 - изображение, поясняющее механизм сжигания угольной пыли.

Фиг. 4 - изображение, поясняющее механизм сжигания, когда вместе с угольной пылью вдувают СПГ и кислород.

Фиг. 5 - пояснительная схема, иллюстрирующая расположение нагнетательных трубок в копье (во внешней трубке).

Фиг. 6 - графическая зависимость, показывающая потери давления в экспериментах с горением.

Фиг. 7 - графическая зависимость, показывающая температуру поверхности копья в экспериментах с горением.

Фиг. 8 - схема, дающая пояснение в отношении внешнего диаметра копья.

Фиг. 9 - схема устройства для эксперимента с горением.

Фиг. 10 - изображение, поясняющее размещение каждой дутьевой трубки в копье.

Фиг. 11 - график, показывающий изменение температуры горения в экспериментах с горением.

Осуществление изобретения

Ниже будут описаны способ работы доменной печи в соответствии с изобретением и копье, используемое при функционировании доменной печи, со ссылками на сопровождающие чертежи. На фиг.1 схематически показана доменная печь, в которой может быть применен способ работы доменной печи согласно настоящему изобретению. Как показано на этой фигуре, доменная печь 1 оборудована в окружном направлении множеством фурм. К фурме 3 присоединена сопло (дутьевая труба) 2, предназначенная для вдувания горячего воздуха, при этом указанное сопло 2 снабжено копьем 4, введенным наклонно и преимущественно сверху в сторону центра осевого направления сопла. Впереди в направлении вдува из фурмы 3 горячего воздуха (внутри печи) образуется зона горения, называемая также зоной 5 циркуляции, которая является также зоной осаждения кокса, и восстановление железной руды с получением расплавленного чугуна, главным образом, в зоне горения.

Фиг. 2 иллюстрирует процесс горения в том случае, когда из копья 4 вдувают только угольную пыль 6. Угольную пыль 6 вдувают из копья 4 и далее через фурму 3 в зону 5 циркуляции, а кусковой кокс 7 загружают с верха печи, и он осаждается в зоне 5 циркуляции, где сгорают летучие вещества и их химически связанный углерод. Смесь из несгоревшего остаточного углерода и золы, обычно называемая полукоксом, рассеивается из зоны 5 циркуляции внутри печи в виде несгоревшего полукокса 8. Скорость вдувания горячего воздуха из фурмы 3 в печь составляет по направлению вдувания приблизительно 200 м/сек, и зона присутствия О₂, выходящего из переднего конца копья 4 в зону 5 циркуляции, составляет приблизительно 0,3-0,5 м. Таким образом, необходимо, чтобы нагревание частиц угольной пыли и эффективность их контакта (способность к диспергированию) с кислородом (О₂), используемым в качестве горючего газа, были улучшены по существу до уровня 1/1000 секунды.

Фиг. 3 иллюстрирует механизм горения в том случае, когда в сопло 2 из копья 4 в качестве твердого восстановителя вдувают только угольную пыль (УП) 6. Частицы угольной пыли 6, вдуваемые из фурмы 3 в зону циркуляции 5, нагреваются пламенем за счет передачи теплоты излучением (радиационного теплообмена) в зоне циркуляции 5, и затем температура частиц повышается за счет передачи теплоты излучением и теплопроводности. Термическое разложение начинается при нагревании до температуры не менее 300°С, прямой коксовый газ воспламеняется с образованием пламени, и температура горения (температура твердых частиц) достигает 1400-1700°С. После выпускания прямого коксового газа образуется полукокс 8. Поскольку полукокс 8 в основном содержит связанный углерод, растворение углерода и его горение происходят одновременно.

Фиг. 4 иллюстрирует механизм горения, когда вместе с угольной пылью 6 из копья 4 в сопло 2 вдувают СПГ и кислород (не показано) в качестве предпочтительных примеров воспламеняющегося газообразного восстановителя и горючего газа соответственно. Данная фигура просто иллюстрирует случай одновременного вдувания угольной пыли, СПГ и кислорода. При этом штриховая линия на фигуре показывает для сравнения температуру горения частиц при вдувании только угольной пыли, иллюстрируемом на фиг. 3. Если угольную пыль, СПГ и кислород вдувают, как было отмечено выше, одновременно, считается, что диспергирование угольной пыли связано с диффузией газа, СПГ сжигается за счет контакта с кислородом, и угольная пыль быстро нагревается за счет теплоты, выделяющейся при горении. В этом случае горение угольной пыли происходит вблизи копья. Поскольку точка начала горения располагается близко к копью, вероятность повреждения (разрушения) копья становится выше, и поэтому необходимо увеличить прочность копья или охлаждающую способность.

На фиг. 5а показано обычно используемое многотрубное копье. На фиг. 5b показано копье параллельного типа, предложенное в изобретении. Многотрубное копье представляет собой тройную трубку коаксиального типа, состоящую из внутренней трубки I, средней трубки М и внешней трубки О. Указанные трубки изготовлены из нержавеющей стали, размеры соответствующих трубок показаны на фиг. 5b. Зазор между внутренней трубкой I и средней трубкой М составляет 1,15 мм, а зазор между средней трубкой М и внешней трубкой О равен 0,65 мм.

В копье параллельного типа в соответствии с изобретением нагнетательная трубка 21 для твердого восстановителя, нагнетательная трубка 22 для газообразного восстановителя и нагнетательная трубка 23 для горючего газа, такого как кислород или тому подобного, объединены в пучок параллельных трубок, размещенных совместно во внешней трубке копья, размеры соответствующих трубок показаны на фигуре.

На фиг. 6 приведены результаты сравнительных измерений потерь давления для многотрубного копья и копья параллельного типа. Как видно из этой фигуры, потери давления меньше в копье параллельного типа по сравнению с многотрубным копьем при одинаковом проходном сечении канала. Это может быть объяснено тем, что в случае использования копья параллельного типа образован относительно большой продуваемый объем (объем внутри нагнетательной трубке) для снижения гидравлического сопротивления.

На фиг. 7 представлены сравнительные данные по эффективности охлаждения копья многотрубного типа и копья параллельного типа. Как видно из этой фигуры, эффективность охлаждения при одинаковых потерях давления в копье параллельного типа выше по сравнению с копьем многотрубного типа. Считается, что это обусловлено большей величиной расхода, который может быть обеспечен при одинаковых потерях давления, поскольку гидравлическое сопротивление трубки в копье параллельного типа меньше.

На фиг. 8 приведены данные относительно внешнего диаметра копья, при этом на фиг. 8а приведен внешний диаметр копья без водяного охлаждения, на фиг. 8b - внешний диаметр водоохлаждаемого копья. Как видно из этой фигуры, внешний диаметр копья меньше в случае копья параллельного типа по сравнению с многотрубным копьем. Предполагается, что такой результат обусловлен тем, что копье параллельного типа позволяет уменьшить проходной канал, толщину трубки и площадь поперечного сечения водоохлаждаемого участка по сравнению с многотрубным копьем.

Для сравнения сгораемости при использовании копья параллельного типа и многотрубного копья, проводится эксперимент с горением, в котором используется оборудование для проведения эксперимента, показанное на фиг. 9. В экспериментальную печь 11 загружают кусковой кокс, при этом внутренний объем зоны 15 циркуляции можно наблюдать через смотровое окно. В сопло (дутьевую трубу) 12 вводится копье 14, посредством которого в экспериментальную печь 11 можно вдувать горячий воздух, производимый с помощью горелки 13, при заданном расходе дутья. В сопле 12 во время дутья воздуха можно также регулировать степень обогащения кислородом. Копье 14 может обеспечить вдувание угольной пыли и одного или двух из СПГ и кислорода в сопло 12. Отходящий газ, полученный в экспериментальной печи 11, разделяется на отходящий газ и пылевидную фракцию с помощью разделительного устройства 16, называемого циклоном, из которого отходящий газ направляется к оборудованию для обработки отходящего газа, такого как дополнительная камера сгорания или тому подобное, а пыль накапливается в сборнике 17.

Эксперимент с горением.

В этом эксперименте с горением (сжиганием) в качестве копья 14 используют единственную трубку, копье с тройной трубкой (которое здесь и далее именуется также копьем многотрубного типа) и копье параллельного типа, изготовленное путем объединения в пучок параллельно трех нагнетательных трубок и их совместного размещения. Исходя из результатов случая, в котором через копье в виде единственной трубки вдувают только угольную пыль, в копье многотрубного типа угольную пыль вдувают через внутреннюю трубку, кислород вдувают между внутренней трубкой и средней трубкой, а СПГ вдувают через зазор между средней трубкой и внешней трубкой. В копье параллельного типа через объединенные в пучок независимо нагнетательные трубки вдувают СПГ. В копье параллельного типа угольную пыль, СПГ и кислород вдувают через объединенные в пучок независимые нагнетательные трубки. В том случае, когда изменяются позиции нагнетания в направлении вокруг оси копья, измеряют температуру горения с помощью цветового термометра, потери давления в копье, температуру поверхности копья и внешний диаметр копья. Хорошо известно, что цветовой термометр представляет собой радиационный термометр для измерения температуры за счет использования теплового излучения (распространения электромагнитных волн от высокотемпературного объекта к низкотемпературному объекту). Следует отметить, что по мере повышения температуры распределение длин волн смещается в направлении коротких волн, при этом одна из форм распределения волн используется для определения температуры путем измерения изменения температуры. Для уяснения распределения волн, в частности, измеряют энергии излучения двух волн, и по их отношению определяют температуру.

В рассматриваемом эксперименте угольную пыль (УП) вдувают из нагнетательной трубки 21 для твердого восстановителя, СПГ вдувают из нагнетательной трубки 22 для газообразного восстановителя, а кислород вдувают из нагнетательной трубки 23 для горючего газа, как это показано на фиг. 10. В случае использования копья, изготовленного путем объединения в пучок параллельно трех независимых нагнетательных трубок и их совместного размещения во внешней трубке копья, нагнетание через копье параллельного типа осуществляют так, что нагнетательная трубка для твердого восстановителя и нагнетательная трубка для газообразного восстановителя расположены выше нагнетательной трубки для горючего газа. То есть взаимное положение угольной пыли, СПГ и кислорода, вдуваемых в сопло, таково, что кислород вдувают ниже аксиального центра сопла, а угольную пыль и СПГ вдувают выше.

Такое взаимное расположение означает, что вдувание через копье параллельного типа осуществляется при таком выполнении копья, при котором угол, образованный плоскостью, проходящей через точку внешнего контакта между центром нагнетательной трубки для твердого восстановителя и копьем, и радиальной вертикальной плоскостью копья, введенного в дутьевую трубу, находится в пределах ±90° или в пределах взаимного расположения каждой нагнетательной трубки. То есть если позицией, соответствующей внешнему диаметру копья на внешней периферийной окружной поверхности нагнетательной трубки 21 для угольной пыли, является точка А, температуру горения измеряют цветовым термометром в позиции 0°, в которой точка А находится в самой верхней части, а также в позиции поворота по часовой стрелке точки А на угол 60° вокруг осевой линии копья и позиции вращения точки А на 180°, соответственно. Кроме того, длина ввода копья в дутьевую трубу составляет 50 мм.

Угольная пыль, используемая в качестве твердого восстановителя, имеет содержание химически связанного (твердого) углерода (СУ) 71,3%, содержание летучего вещества (ЛВ) 19,6% и содержание золы 9,1%, вдув пыли осуществляется с расходом 50,0 кг/ч (что соответствует удельному расходу расплавленного чугуна 158 кг/т). Вдув СПГ осуществляется с расходом 3,6 кг/ч (5,0 Нм³/ч, что соответствует удельному расходу расплавленного чугуна 11 кг/т). Кокс используют так, чтобы удовлетворить параметр ¹⁵⁰₁₅D183 по методу испытаний, описанному в японском промышленном стандарте JIS K2151. Параметры дутья: температура дутья 1100°С, расход 350 Нм³/ч, скорость 80 м/с и обогащение О₂ составляет +3,7 (концентрация кислорода 24,7%, обогащен на 3,7% по отношению к его концентрации в воздухе, составляющей 21%).

На фиг. 11 приведены результаты измерения температуры горения в эксперименте с горением. Как видно из этой фигуры, если положение первой трубки в копье параллельного типа или нагнетательной трубки для угольной пыли изменяется на 0°, 60° и 180° вокруг осевой линии копья, температура горения становится наиболее высокой при 60° или в позиции, в которой нагнетательные трубки для угольной пыли и СПГ расположены выше трубки нагнетания кислорода. Считается, что это обусловлено тем, что зона горения СПГ образуется вблизи угольной пыли для нагревания угольной пыли, а кислород присутствует ниже СПГ и угольной пыли для эффективного смешивания с СПГ и угольной пылью, и в результате процесс горения активизируется.

В способе работы доменной печи, соответствующем воплощению настоящего изобретения, если угольная пыль (твердый восстановитель) 6, СПГ (воспламеняемый газообразный восстановитель) 9 и кислород (горючий газ) одновременно вдувают через копье 4 в фурму 3, площадь сечения нагнетания в нагнетательной трубке (зазор) можно сохранить преимущественно без выполнения внешнего диаметра копья очень большим, за счет использования копья параллельного типа, изготовленного путем объединения в виде пучка соответствующих параллельных нагнетательных трубок и совместного их размещения во внешней трубке копья. В соответствии со способом и копьем согласно настоящему изобретению можно, таким образом, повысить эффективность охлаждения (копья) и улучшить сгораемость и, следовательно, уменьшить удельный расход восстановителя.

Хотя выше рассмотрено воплощение, в котором в качестве газообразного восстановителя используют СПГ, можно использовать также бытовой газ. Помимо бытового газа и СПГ, может быть использован другой газообразный восстановитель, например, газообразный пропан, водород, а также конвертерный газ, доменный газ и коксовый газ, полученный в чугунолитейном цехе. Кроме того, может быть использован сланцевый газ в эквивалентном количестве по отношению к СПГ. Сланцевый газ является природным газом, полученным из сланцевого пласта, и его называют нетрадиционным источником природного газа, поскольку он добывается в местах, отличных от обычных газовых месторождений.

Условные обозначения

1 - доменная печь, 2 - сопло, 3 - фурма, 4 - копье, 5 - зона циркуляции, 6 - угольная пыль (твердый восстановитель), 7 - кокс, 8 - полукокс, 9 - СПГ (воспламеняемый газообразный восстановитель).

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для обеспечения технологических процессов в доменной печи. В способе вдувания в доменную печь твердого восстановителя, газообразного восстановителя и газа, поддерживающего горение, через фурмы используют копье параллельного типа, выполненное в виде объединенных в пучок трех независимых нагнетательных трубок, параллельно и совместно размещенных во внешней трубке копья, при этом один или оба из газообразного восстановителя и газа, поддерживающего давление, вдувают одновременно с твердым восстановителем через соответствующие нагнетательные трубки, причем при вдувании через копье параллельного типа нагнетательная трубка для твердого восстановителя и нагнетательная трубка для газообразного восстановителя расположены выше нагнетательной трубки для газа, поддерживающего горение. Изобретение обеспечивает возможность улучшения сгорания угольной пыли, вдуваемой через фурму, повышает эффективность охлаждения, а также уменьшает удельный расход восстановителя. 2 н. и 1 з.п. ф-лы, 11 ил.

1. Способ вдувания в доменную печь твердого восстановителя, газообразного восстановителя и газа, поддерживающего горение, через фурмы с помощью копья, отличающийся тем, что используют копье параллельного типа, выполненное в виде объединенных в пучок трех независимых нагнетательных трубок, параллельно и совместно размещенных во внешней трубке копья, при этом один или оба из газообразного восстановителя и газа, поддерживающего горение, вдувают одновременно с твердым восстановителем через соответствующие нагнетательные трубки, причем при вдувании через копье параллельного типа нагнетательная трубка для твердого восстановителя и нагнетательная трубка для газообразного восстановителя расположены выше нагнетательной трубки для газа, поддерживающего горение.

2. Копье для вдувания твердого восстановителя, газообразного восстановителя и газа, поддерживающего горение, через фурмы в доменную печь, отличающееся тем, что оно выполнено в виде трех независимых нагнетательных трубок, объединенных в параллельный пучок и совместно размещенных во внешней трубке копья, при этом копье выполнено с возможностью вдувания одновременно с твердым восстановителем одного или двух из газообразного восстановителя и газа, поддерживающего горение, а соответствующие нагнетательные трубки расположены так, чтобы соответствовать взаимному положению, при котором нагнетательная трубка для твердого восстановителя и нагнетательная трубка для газообразного восстановителя расположены выше нагнетательной трубки для газа, поддерживающего горение.

3. Копье по п. 2, отличающееся тем, что каждая из нагнетательных трубок является трубкой, имеющей внутренний диаметр не менее 6 мм и не более 30 мм.