CC BY
11
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2005 р. Вип. № 15
УДК 669.183.212
Сущенко A.B.1, Лещенко E.H.2, Безчерев A.C.3, Фентисов H.H.4, Стариковский Н.Л.5
РАЗРАБОТКА И ВНЕДРЕНИЕ ГАЗО-МАЗУТНЫХ ГОРЕЛОК НОВОЙ КОНСТРУКЦИИ В МАРТЕНОВСКОМ ЦЕХЕ ОАО «ММК ИМ. ИЛЬИЧА»
Разработаны, опробованы и внедрены в производство (в мартеновском цехе ОАО «ММК им. Ильича») газо-мазутная горелка с сопловым модулем новой конструкции и способ управления параметрами факела за счет регламентированной подачи интенсификатора по периодам плавки в мартеновских печах.
Доля мартеновской стали в общем сталеплавильном производстве ММК им. Ильича находится на уровне ~ 50 %. Учитывая, что мартеновский цех является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов, задача совершенствования тепловой работы мартеновских печей (МП) с целью повышения эффективности использования топлива, на базе малозатратных мер, является весьма актуальной для комбината.
Конструкция газо-мазутной горелки МП является одним из основных "инструментов" управления процессом выплавки мартеновской стали, во многом определяющим его основные технико-экономические показатели. Правильный выбор конструктивных и режимных параметров газо-мазутной горелки (ГМГ) для соответствующих условий ее эксплуатации (давление энергоносителей, условия обеспечения ими цеха, параметры шихты, производства и т.п.) позволяет обеспечить оптимальные тепловой и шлаковый режимы плавки, и, как следствие, минимизировать удельные расходы топливно-энергетических ресурсов на выплавку стали [1,2].
В мартеновском цехе ММК им. Ильича для отопления большегрузных (650 т и 900 т) МП используются ГМГ с двухступенчатым распыливанием мазута предварительно подогретым компрессорным воздухом (первая) и природным газом высокого давления (вторая ступень распы ливания).
В связи с нестабильным и относительно невысоким давлением сжатого воздуха в цеховой магистрали (Рсв ~0,4 МПа), а также неоптимальной конструкцией соплового модуля базовой ГМГ работа последней характеризовалась недостаточной дальнобойностью и «жесткостью», а также ограниченными возможностями регулирования параметров факела в процессе эксплуатации. Кроме того, в условиях периодического дефицита чугуна (при необходимости увеличения тепловой нагрузки) имело место ухудшение процесса диспергирования мазута при повышенных его расходах.
С целью улучшения организации газо-мазутного факела и повышения коэффициента использования топлива в МП в рамках проведенной в 2004 г. работы сотрудниками комбината и ПГТУ решалась задача оптимизации конструктивных и режимных параметров ГМГ применительно к сложившимся шихтовым и производственным условиям работы МП, в т.ч. по параметрам энергоносителей.
Учитывая относительно невысокое давление сжатого воздуха, с целью максимально возможного использования его потенциальной энергии для распыливания мазута, повышения кинетической энергии и расширения возможностей регулирования параметров факела была разработана новая конструкция соплового модуля ГМГ, отличающаяся от базовой формой и конструктивными размерами воздушного и мазутного сопел, а также основным рабочим
1 ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
2 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
3 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
4 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
5 ОАО «ММК им. Ильича», инж.
положением выходного сечения конического сужающегося мазутного сопла относительно минимального сечения воздушного конического сопла Лаваля - I,- [3]. Для определения оптимальных параметров соплового блока ГМГ были проведены предварительные расчеты процессов истечения и взаимодействия потоков мазута, сжатого воздуха и природного газа, а также экспериментальные исследования параметров факелов на действующих МП. Для этого были изготовлены комплекты сменных сопловых модулей ГМГ с различными конструктивными параметрами (диаметр минимального сечения и длина переходного цилиндрического участка воздушного сопла с1т1ПЛ, = 38;41;43;45;46 мм; 1цв = 0;20;25 мм; диаметр выходного сечения и длина мазутного сопла с1м = 12;13 мм; 1м = 95; 135 мм и др.) - рис.1.
Рис. 1 - Одна из экспериментальных партий воздушных и мазутных сопел для изготовления
сменных сопловых модулей ГМГ МП.
Для каждого экспериментального соплового модуля исследования факелов проводили при последовательном изменении выбранного характерного расстояния 1х и различных тепловых нагрузках (для «твердого» и «жидкого» периодов плавки). В качестве первичного распылителя мазута (ПРМ) использовали компрессорный воздух (Рсв = 0,35 - 0,50 МПа) и периодически кратковременно водяной пар с давлением до 0,9 МПа. При этом структуру факелов, их «жесткость», дальнобойность и настильность контролировали визуально, а температурное поле замеряли при помощи: инфракрасного пирометра "Mikron М 90" и интегрального инфракрасного пирометра отношения "Marathon MR1 CSF" (по 9 контрольных точек на одно завалочное окно).
В результате предварительных исследований было установлено, что, независимо от вида и давления ПРМ, для нормальной работы ГМГ величина 1х должна находиться в пределах
(- 0,7...+2,0)i//y;;;?, где dmin- эквивалентный диаметр минимального сечения сопла Лаваля для подачи первичного распылителя с учетом частичного перекрытия его мазутным соплом. Оптимальный диапазон изменения указанной величины составляет (- 0,2... +0,6) djnj„ При этом (при прочих равных условиях) обеспечиваются одновременно достаточно высокие степень распыливания мазута, дальнобойность и «жесткость» газо-мазутного факела, а также хорошая его настильность и близкое к оптимальному температурное поле. Имеет место стабильный режим истечения энергоносителей при отсутствии явления «запирания» мазутного потока и др. При использовании в качестве ПРМ компрессорного воздуха с Рсв ~0,4 МПа
лучшая организация факела и максимальная нагревательная способность МП была получена при (1т1ПВ = 43...45 мм. С учетом явлений «разгара» выходных участков и «зарастания» (образования на поверхностях стенок в процессе эксплуатации отложений из продуктов пиролиза топлива, печной пыли и т.п.) сопел, - рис. 2 - в качестве окончательного варианта был выбран сопловой модуль с с1т1ПзВ = 45 мм.
Рис - 2 Сопла газо-мазутных горелок МП: 1,2 - воздушные и мазутные после изготовления; 3,4,5 - воздушные, мазутное и кислородное соответственно после эксплуатации в течение ~ половины кампании МП по главному своду.
Опытно-промышленные испытания соплового модуля новой конструкции были проведены в сентябре - декабре 2004 г. на МП № 2 и МП № 3 с использованием двух типов ГМГ (с одним и двумя каналами для подачи интенсификатора - кислорода - в факел) - рис. 3.
а
б
Рис.3 - Газо-мазутные горелки МП с сопловым модулем новой конструкции после изготовления (а - с одним и б - с двумя каналами для подачи кислорода).
Получено, по сравнению с ГМГ базовой конструкции, при прочих равных условиях: 1) увеличение (на 20-30 %) длины и поверхности взаимодействия факела с ванной (шихтой) при обеспечении достаточной его «жесткости» и хорошей настильности; 2) более оптимальное температурное поле факела - высокотемпературная зона длиннее на 15-25 %; нижняя часть факела имеет аналогичные максимальные температуры (~2100°С) как и при использовании обычного соплового блока, а верхняя часть факела имеет температуры на 10^50 К меньше, что способствует более «щадящим» условиям работы сводовых огнеупоров; 3) расширение диапазона регулирования параметров факела, повышение устойчивости к колебаниям параметров энергоносителей; 4) интенсификация теплообмена в рабочем пространстве МП и улучшение тепловой работы последней, экономия топлива 1-3 кг у.т./т стали.
Установка сопловых модулей новой конструкции на газомазутных горелках всех мартеновских печей была закончена к концу декабря 2004г.
Для проведения сравнительного анализа эффективности тепловой работы мартеновских печей с использованием ГМГ новой и базовой конструкции в качестве сравнительного периода были выбраны два месяца - январь-февраль 2005 г. - в качестве базового периода был выбран соответствующий по длительности и температурно-климатическим условиям период - январь-февраль 2004 г. При этом в качестве обобщающего критерия эффективности тепловой работы мартеновских печей рассматривался удельный расход условного топлива на выплавку мартеновской стали (кг у.т./т).
Для приведения показателей сравнительного и базового периодов к сопоставимым (эквивалентным) условиям по шихте и производству, в рамках решаемой задачи было необходимо установить значимые факторы и определить их количественное влияние на удельный расход условного топлива на выплавку мартеновской стали. Для этого с использованием стандартных методов математической статистики были обработаны среднемесячные показатели работы мартеновского цеха за период с января 2000 г. по февраль 2005 г. (всего 62 месяца, включающие в себя данные около 20 тыс. плавок).
В качестве анализируемых факторов рассматривались: среднесуточное производство, удельные расходы (на выплавку мартеновской стали) жидкого и твердого чугуна, горячебрикетированного железа (ГБЖ), металлошихты, железной руды, окалины, сварочного шлака, извести, известняка и др. материалов, удельные расходы кислорода в ванну, кислорода в факел, сжатого воздуха, длительность простоев («задержек»), среднее значение текущей стойкости печей по главному своду (средний «возраст» печей), доля мазута по теплу, давление энергоносителей (природный газ, кислород) и др.
На основе парного корреляционно-регрессионного анализа установлено, что значимыми (влияющими на удельный расход условного топлива на выплавку мартеновской стали) факторами из рассматриваемых являются: 1) удельный расход жидкого чугуна; 2) удельный расход ГБЖ; 3) удельный расход кислорода в ванну; 4) длительность простоев («задержек») - рис 4.
С целью получения достоверных количественных связей удельного расхода условного топлива на выплавку мартеновской стали с рассматриваемыми факторами, был проведен множественный корреляционно-регрессионный анализ, учитывающий их взаимовлияние. При этом было установлено, что в качестве значимых, помимо 4-ех вышеуказанных параметров, выступают: 5) удельный расход твердого чугуна; 6) средний «возраст» печей и 7) удельный расход железной руды.
С использованием полученных данных установлено, что уменьшение удельного расхода условного топлива на выплавку мартеновской стали в сравнительный период по отношению к базовому, за счет использования ГМГ с сопловым модулем новой конструкции составляет 2,4 кг у.т./т.
С использованием ГМГ новой конструкции разработан и опробован способ регулирования параметров (дальнобойности, «жесткости», настильности и температурного поля) газо-мазутного факела посредством регламентированной подачи интенсификатора, позволяющий расширить возможность управления структурой факела по периодам плавки, повысить эффективность использования топлива и производительность МП.
Проведено исследование состояния сопловых устройств ГМГ МП в процессе эксплуатации и разработаны технические решения (основанные на подаче водяного пара в мазутный и/или воздушный тракт неработающей ГМГ после реверсирования факела), направленные на стабилизацию геометрических параметров сопел и факелов и, как следствие, на дальнейшее улучшение тепловой работы мартеновских печей.
Перспективным для условий работы ГМГ мартеновских печей является использование в качестве первичного распылителя мазута природного газа с оптимизацией доли его, подаваемой по первой ступени распыливания мазута, в зависимости от давления энергоносителей в цеховой магистрали [4]. Для повышения коэффициента использования топлива, особенно в условиях повышенных тепловых нагрузок (при дефиците чугуна) перспективными также являются применение импульсного отопления МП, а также оптимизация параметров регенераторов для нагрева вентиляторного воздуха.
&
«
с 3 и
«-t
сЗ Н И
s Г?
С И
° П
О и о я и
о
«
о
ч: « ° &
% %
а s «
3 я
л
п
<D
4 >
150,0 140,0 130,0 120,0 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0
•
и т
Р •
^ £ •»Vh *
R=
а
• •• •
•
• •• R = 0 61
• •
• • •.
б
450,0 550,0 650,0
Удельный расход жидкого
чугуна на выплавку мартеновской стали, кг/т
750,0 0 50 100 150 200
Удельный расход ГБЖ на выплавку мартеновской стали, кг/т
150,0 140,0 130,0 120,0 110,0 100,0 90,0 80,0 70,0
• • • •
v •
*
w R = 0,54^
в
•
• « •
r*^ 5 2
v •
fl';
г
20,0 25,0 30,0 35,0 40,0 45,0 50,0 5,0
Удельный расход кислорода в ванну на выплавку мартеновской стали, м /т
15,0 25,0 35,0 45,0
Длительность простоев ("задержек"), пече-суток
Рис.4 - Графические парные корреляционные зависимости удельного расхода топлива от
некоторых факторов.
Выводы
Совершенствование конструкции соплового модуля газо-мазутной горелки большегрузных мартеновских печей ОАО «ММК им. Ильича» позволило улучшить организацию газо-мазутного факела в рабочем пространстве мартеновских печей и их тепловую работу, расширить возможности управления плавкой и получить экономию топлива 2,4 кг у.т./т стали.
Перечень ссылок
1. Лисиенко В.Г. Усовершенствование методов сжигания природного газа в сталеплавильных печах / В.Г. Лисиенко, Б.И. Китаее, Н.И. Кокарее. - М.: Металлургия, 1977. - 280 с.
2. Усовершенствование методов сжигания мазута в мартеновских печах / В.Г. Лисиенко, Б.И. Китаее, Н.И. Кокарее, А.Г. Капичее. - М.: Металлургия, 1967. - 246 с.
3. Сопловий модуль газо-мазутного пальника мартешвсько! печг Патент 67690А. Украша, МКВ7 Б 23 С 1/08, С 21 С 5/04.
4. Споаб спалювання палива в мартешвськш печг Патент 67684А. Украша, МКВ7 Б 23 С 1/08.
Статья поступила 25.03.2005
