CC BY
67
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УШВЕРСИТЕТУ 2004р. Вип. № 14
УДК 669.162.22
Русских В.П.1, Хрущев Е.И.2, Лукьяненко И.А.3, Косолап Н.В.4, Доля С.Н.5
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА, ОБЕСПЕЧИВАЮЩЕГО ОДНОВРЕМЕННЫЙ ВВОД В ГОРН ДОМЕННОЙ ПЕЧИ НЕСКОЛЬКИХ РЕАГЕНТОВ
Разработана конструкция воздушной фурмы, а также система одновременной подачи в доменную печь нескольких реагентов, стабилизирующих тепловое состояние горна с целью расширения технологических возможностей управления доменной плавкой
Работа доменных печей на комбинированном дутье предполагает подачу в горн углеводородсодержащих добавок для регулирования теплового состояния горна и снижения удельного расхода кокса на выплавку чугуна. В доменных цехах Украины наибольшее распространение в качестве такой добавки получил природный газ. Нестабильное снабжение металлургических предприятий Украины природным газом , его высокая цена предопределяют нецелесообразность его использования для регулирования теплового состояния горна доменной печи. При снижении расхода или прекращении подачи природного газа в окислительную зону горна доменной печи для поддержания оптимальной теоретической температуры горения топлива необходимо снижать температуру горячего дутья, уменьшать приход с ним тепла в доменную печь, что вызывает увеличение удельного расхода кокса на выплавку чугуна.
Для обеспечения максимальной температуры дутья в условиях дефицита природного газа и пара на увлажнение дутья в условиях ММК им. Ильича предусмотрена технология доменной плавки с увлажнением дутья распылением воды в его потоке.
Положительное влияние увлажнения дутья на доменный процесс известно давно [1,2,3], однако с этой целью использовался исключительно водяной пар.
В условиях дефицита пара на ММК им. Ильича была разработана технология доменной плавки с искусственным увлажнением дутья путём диспергирования воды в окислительной зоне горна. С целью расширения технологических возможностей управления доменной плавкой разработана конструкция воздушной фурмы, позволяющая вводить в доменную печь одновременно несколько реагентов, в том числе и диспергированную воду [4,5,6].
Снижение расхода природного газа приводит к ухудшению технико-экономических показателей работы доменных печей, что подтверждается следующим расчетом.
В качестве оптимальных условий работы доменной печи принимаются следующие технологические параметры:
- температура горячего дутья (/„) -1000 °С;
- содержание кислорода в дутье (<м) - 24 %;
- расход природного газа по отношению к расходу дутья ((2т) - 3 % ;
- естественная влажность дутья (у) - 1 %.
Теоретическую температуру горения кокса определяли по используемой в доменном цехе комбината эмпирической зависимости:
Т = 2000 + 0,75(?д -1100)+50(ю -25)+53(б-£>пг) + 53(2-;г) . По расчету она оказалась равной 2087 °С.
При прекращении подачи природного газа ( в условиях сохранения остальных параметров неизменными ) теоретическая температура горения кокса, определенная по приведенной выше формуле, составила 2246 °С. Для приведения температурных условий горна к
1ПГТУ, канд. техн. наук, доцент.
2 ПГТУ, канд. техн. наук, доцент.
3 ОАО «ММК им. Ильича», соискатель.
4 ОАО «ММК им. Ильича», соискатель.
5 ОАО «ММК им. Ильича», инженер.
первоначальному уровню необходимо понизить температуру горячего дутья до 788 °С, т.е. на 212 °С, или уменьшить концентрацию кислорода в дутье, что неизбежно вызовет снижение производительности доменной печи.
Это видно из следующего примера: печь полезным объемом 1033 м3 при нормальной работе принимает 2000 м3 дутья в минуту, что при содержании 21 % кислорода в нём обеспечивает ежеминутное поступление в печь 420 м3 кислорода. При понижении содержания кислорода в дутье до 19 %, его ежеминутное поступление в печь составит 380 м3, т.е. на 40 м3 меньше по сравнение с первым случаем. В соответствии с реакцией С + 0,5 О2 —> СО масса углерода, сгорающего в минуту сократится на 42,86 кг (61,71 т/сутки). При удельном расходе кокса 0,5 т/т чугуна и содержании в нем углерода около 87 % снижение производительности доменной печи составит 141,8 т/сут.
В связи с отсутствием пара на увлажнение дутья максимально высокую его температуру в таких условиях можно поддерживать за счет впрыскивания воды непосредственно в окислительную зону. Для этого требуется рассчитать ее необходимое количество.
Методика расчета аналогична вышеприведенному примеру по снижению температуры дутья при прекращении подачи природного газа:
а) Количество тепла, не введенного в доменную печь с дутьем в связи с снижением его температуры с 1000 до 788 °С составит:
(1000 - 788) х 1,409 = 298,7 кДж,
где 1,409 - теплоемкость дутья при 1000°С, кДж/(м3*К)
б) Определение массы воды, потребляющей такое же количество тепла при ее подаче в доменную печь:
Qx =4,18-At-mHi0 +2253 +13457 +1800 -mHi0 = 298,7 кДж,
где 4,16 - теплоемкость воды, Дж/(г*К);
2253 - теплота парообразования, Дж/г;
13457 - теплота диссоциации воды, Дж/г;
1800 - теплота нагрева пара от 100°С до 1000°С, Дж/г
At - разность между температурой кипения и температурой воды на вводе в доменную печь, °С.
28,7-ю3__з
т„ п =-= 16,1 г/ м
2 220,8 + 2253 + 13457 + 1800
При расходе дутья 2000 м3/мин расход воды составит: 16,1 х 2000=32,2кг/мин
За счет этого количества воды в доменную печь ежеминутно будет поступать 40,1 м3 водорода и 19,9 м3 кислорода.
При прочих равных условиях количество углерода, сгорающего в минуту в горне доменной печи возрастет в соответствии с реакцией С + 0,502 —» СО на 21,32 кг, что составит 30,7 т/сут. При удельном расходе кокса на выплавку чугуна 0,5 т/т и содержании в нем углерода 87 % увеличение производительности доменной печи составит 70,6 т/сут.
Испытание устройства для подачи реагентов в фурменную зону. В процессе выполнения работы сделан анализ преимуществ и недостатков возможных мест ввода воды в поток дутья. В качестве оптимального выбран вариант автономного подвода воды через отдельный кольцевой коллектор с разводкой на каждый фурменный прибор и установкой запорной, регулирующей и контролирующей аппаратуры. Наиболее целесообразным является вариант, представленный на рисунке. Вода подается по трубопроводу (9), снабженному измерительной (8) и запорной (6) аппаратурой, который перед фланцем воздушной фурмы (2) вводится в газопровод природного газа (5).
1-корпус фурмы (медь), 2-фланец (сталь), 3-обратный клапан, 4-шаровый кран, 5-газопровод природного газа, 6-игольчатый клапан, 7-кольцевой трубопровод, 8-измерительная шайба, 9-трубопровод для подачи воды, 10-термодатчик
Рисунок - Фурма для ввода реагентов в доменную печь.
При внутреннем диаметре трубы для подвода природного газа 25 мм и наружном диаметре трубы для подвода воды на распыление в потоке дутья 14 мм, площадь сечения газового потока сокращается на 31,4 %. При этом скорость истечения газа в полость воздушной фурмы возрастет с 185 до 242 метров в секунду, что повышает равномерность его распределения в потоке дутья.
Таким образом, разработанная конструкция позволяет осуществить следующие варианты технологии доменной плавки: -подачу в доменную печь природного газа; -вдувание в фурменную зону печи воды; -одновременную подачу в печь природного газа и воды; -работу печи на дутье без дополнительных реагентов.
Задача изготовления конструкции фурмы выполнена проектно-конструкторским отделом комбината им. Ильича по технологическому заданию, разработанном}' кафедрой металлургии чугуна Приазовского государственного технического университета и доменным цехом комбината. При этом подача воды к фурменным приборам осуществляется с использованием кольцевого коллектора, выполненного из стальных труб диаметром 50 мм, расположенного под кольцевым воздухопроводом горячего дутья.
Для контроля общего расхода воды на увлажнение дутья в прямом участке водовода установлена расходомерная шайба, позволяющая измерять расход воды от 0 до 50 дм7мин. С этой целью использована стандартная диафрагма ДК6-50-11-6-2 ГОСТ 14321-73 и дифманометр ДС-ЭЗ на предельный перепад давления 400 кгс/м2.
Расход воды регистрируется на вторичном приборе, в качестве которого используется электронный потенциометр КСП-40, шкала которого отградуирована на расход в дм3/мин.
Общее количество воды на увлажнение дутья регулируется также путем изменения её расходов на отдельные фурмы. Для чего на подводящих воду к фурменным приборам трубках (внешний диаметр - 16 мм, внутренний - 10 мм) установлены игольчатые вентили, позволяющие обеспечить тонкое регулирование (30 мм/мин). С целью предотвращения попадания печных газов в систему в случае снижения статического давления воды ниже статического давления печных газов система оборудована обратными клапанами. Для сохранения пропускной способности газопровода в объеме до 500 м /час на каждую фурму, увеличен диаметр газовых труб с 25 до 32 мм. Это обеспечило увеличение поперечного сечения кольца для транспортировки природного газа на 100 мм2.
В процессе монтажа системы распыления воды изготовлено и испытано три разновидности распылителя: - со спиральным закручиванием потока жидкости и центральным отверстием для распыления диаметром 1,5-2,0 мм; - распылитель, изменяющий направление её потока со щелевым распылением, направленным под углом 45° к потоку дутья; - распылитель с пережимом и лимитирующим отверстием диаметром 3 мм. Все указанные конструкции прошли стендовые испытания. Наиболее дисперсное распыление воды достигнуто при спиральном и щелевом распылителях.
Выводы
1. В условиях дефицита природного газа и его высокой цены технология доменной плавки с увлажнением дутья является актуальной. При отсутствии пара на увлажнение дутья для этой цели может быть использована вода.
2. Разработана конструкция воздушной фурмы и система подвода воды, позволяющие расширить технологические возможности процесса и его оптимизацию путем подбора соотношения расходов добавок к дутью: кислорода, природного газа, воды совместно или только некоторых из них.
3. Предложена технология доменной плавки с вдуванием диспергированной воды в окислительную зону, обеспечивающая оптимальное производство и расход кокса в условиях дефицита углеводородов и пара на увлажнение дутья.
4. Определены параметры дутьевого режима доменной плавки в соответствии с поставленной целью ее оптимизации: для достижения максимальной производительности или минимального расхода кокса.
5. Разработанное устройство и предложенную технологию необходимо детально испытать в промышленных условиях.
Перечень ссылок
1. Шкодин К.К. Труды ЛПИ/ К.К. Шкодин II1964. - № 225. - С.54-101.
2. Голъдштейн Н.Л. Водород в доменном цехе I H.JI Гольдштейн- М.:Металлургия.-1971.-206с.
3. РаммА.Н. Современный доменный процесс!А.Н. Рамм- М.: Металлургия - 1980.-304 с.
4. Разработка технологии доменной плавки с подачей реагентов в поток дутья в условиях
отсутствия природного газа. / В.ПРусских, Е.И. Хрущев, Н.В. Косолап, С.А. Доля //Труды Международного Конгресса доменщиков - Днепропетровск. - 1999. - С.219.
5. Патент № 54841А. - Украина. - С21В7/16. - Способ доменной плавки.
6. Патент № 47026А. - Украина. - С21Б7/16- Дутьевая фурма доменной печи.
Статья поступила 20.03.2004
