Теоретическая температура горения в фурменной зоне доменной печи при вдувании пылеугольного топлива Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

Металлургия и материаловедение

УДК 669. 162

д.т.н. Новохатский А. М., к.т.н. Должиков В. В., к.т.н. Диментьев А. О., Падалка А. В. (ДонГТУ, г. Алчевск, ЛНР)

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ТЕМПЕРАТУРА ГОРЕНИЯ В ФУРМЕННОЙ ЗОНЕ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ ПРИ ВДУВАНИИ ПЫЛЕУГОЛЬНОГО ТОПЛИВА

Скорректирована методика расчета теоретической температуры горения в фурменной зоне доменной печи, учитывающая влияние вдуваемых параллельно с пылеугольным топливом газов (кислорода, азота и метана) и химического состава угольной пыли, температуру и влажность дутья.

Ключевые слова: доменная печь, горн, теоретическая температура горения, пылеугольное топливо, кислород, азот, природный газ, температура и влажность дутья.

Проблема и ее связь с научными и горна совместно с расходом кокса. Для практическими задачами. расчета ТТ предложено довольно много

Одним из основных направлений разви- различных методик [1-6].

тия доменного производства на металлур- Необходимо отметить, что практически гических предприятиях является строи- все методики максимально упрощены пу-

тельство установок для получения и вду- тем усреднения значений некоторых пара-

вания пылеугольного топлива (ПУТ) в метров, что обусловлено рядом причин

горн доменной печ^ что позволяет эконо- (отсутствие данных, нацеленность на

мить к°к^ полностью или частично заме- оценку изменений температуры и др.).

нить природный га3, стоимость которого Изложение материала и его резуль-за последние 20 лет значительно возросла. таты.

В зависимости от вида вдуваемого топ- Анализ отечественной литературы полива и его химического состава изменяет- казывает [2, 3, 6], что для расчета теорети-ся температура в фурменном очаге. С уче- ческой температуры горения чаще всего том ряда допущений такую температуру (ПАО «АМК», ПАО «ЕМЗ», ПАО «Арсе-оценивают расчетным путем и называют лорМиттал Кривой Рог») используют ме-теоретической температурой горения Т . тодику, предложенную Н. Е. Дунаевым и Она влияет на общее тепловое состояние Т. И. Кухтиным [2]:

_ 0,9341-tд + 8208т-ф-(2402-1,2177• tд)-(1,9322 + 2,235-ЖЖ)• Sж + Т _ 1 + т + 2-ф + (0,0012 + 0,0013-ЖЖ)• Sж + 0,0005• Smв + 2,026• Sг + -(0,39 + 2,2175 • С) • Sтв - 2673 • Sг + 94,76

1 + т + 2-ф + (0,0012 + 0,0013-ЖЖ)• Sж + 0,0005• Smв + 2,026• Sг '

где tд — температура дутья, 0С; ЖЖ — рабочая теплота горения жидко-

т — содержание кислорода в дутье на го топлива, ккал/г; срезе воздушных фурм, м3/м3 сухого дутья; Sж, Smв — расходы жидкого и твердого

V — влагосодержание дутья, м3/м3 су- топлива в дутье соответственно, г/м3 сухо-хого дутья; го дутья;

Металлургия и материаловедение

с^ — содержание углерода в рабочей массе топлива, кг/кг;

Sг — расход газообразного топлива в

3, 3

дутье, м /м сухого дутья.

Однако проведенный анализ показал, что в современных условиях металлургических предприятий ее целесообразно уточнить и скорректировать.

Для расчета количества тепла внесенного в доменную печь 1 м3 нагретого сухого дутья использовались данные о теплосодержании двухатомных газов указанные А.Н. Раммом [2]. При этом рассматривался интервал температур от 900 до 1100 оС, чего для современных промышленных условий недостаточно, так как на многих металлургических предприятиях устанавливают воздухонагреватели конструкции Калугина, которые способны нагревать дутье до 1200-1300 оС.

В связи с этим необходимо заменить предложенное выражение 0,9341- 1д + 94,76,

расположенное в числителе формулы (1), на подобное, которое получено на основании данных о теплосодержании двухатомных газов в интервале температур от 1000 до 1300оС:

0,9489 - + 78,86.

В своей работе Рамм А.Н. отметил, что у азота и оксида углерода теплосодержание будет выше по сравнению с водородом: при температуре от 500 оС до 1000 оС на 3 %, а при 1000-2500 оС на 6 %, поэтому если содержание Н2 в фурменном газе превысит 10 %, то выражение для расчета количества тепла, внесенного сухим дутьем, изменится следующим образом:

0,9433 - + 79,4.

В формуле (1) для определения количества тепла, образующегося при горении топлива, предложен коэффициент 8208, который соответствует допущению, что температура кокса, поступающего на уровень воздушных фурм в доменной печи, равна 1500оС. При наличии данных о на-

греве топлива целесообразно заменить его на выражение

6269,6 +1,292 - ,

где — температура кокса, поступающего в фурменный очаг, оС.

В случае если температура кокса, поступающего в фурменный очаг, к примеру, увеличится на 100 оС, то теоретическая температура согласно формуле (1) повысится на 21 оС.

На современных металлургических предприятиях с целью интенсификации процесса горения ПУТ в доменной печи параллельно с угольной пылью подают кислород, в связи с чем увеличивается объем этого газа на 1 м3 сухого дутья, что можно рассчитать по формуле

а =

+ ®доп V + адоп

где с — содержание кислорода в дутье на срезе воздушных фурм, доля;

с ' — количество кислорода в нагретом дутье после воздухонагревателя, доля;

сдоп — расход кислорода, подаваемого в воздушную фурму параллельно с ПУТ,

м3/мин;

¥д — расход дутья, м /мин.

Подаваемый кислород не нагревают до температуры дутья, а соответственно, тепло в доменную печь он не вносит. Поэтому в числитель формулы (1) необходимо добавить выражение

-(0,9489 - Хд - 78,86) - (с- с ').

Предложенные коэффициенты перед расходом природного газа и ПУТ в знаменателе формулы (1) основаны на усредненных химических составах этих топлив. Проведенные расчеты теоретической температуры по формуле (1) с учетом влияния элементарного состава ПУТ показали, что при использовании разных марок углей целесообразно учитывать содержание водорода, азота и кислорода в угольной пы-

Металлургия и материаловедение

ли, поэтому вместо предложенного коэффициента в знаменателе перед Smв следует применить формулу

^пут = (10,75-Н тв + 1,4-Отв + +0,8- Nmв + 0,037)-10 3,

ГДе Нтв, Отв, Nmв — СоДержание вОД°

рода, кислорода и азота в пылеугольном топливе, кг/кг ПУТ.

Для транспортировки пылеугольного топлива по трубопроводу используют газ, обычно это азот. Коэффициент перед расходом ПУТ этого не учитывает, поэтому его целесообразно заменить на выражение

(К

+ N2

пут 2 тр

)-10-

где N2 тр — азот, применяемый для подачи пылеугольного топлива в доменную печь, м3/кг ПУТ.

Химический состав природного газа оказывает влияние на объем образующихся газов в фурменном очаге, в связи с этим при его изменении необходимо пересчитывать коэффициент, указанный перед расходом в знаменателе формулы (1).

Обобщая все предложенные изменения в формуле (1) для расчета теоретической температуры горения при содержании водорода в фурменном газе менее 10 %, получим следующее выражение

T =

1T

0,9489-td + 8208-с-ф-(2402-1,2177 -td) - (0,39 + 2,2175 •срте )• St 1 + с + 2-ф + (к + N2 )-10-3-S + 2,026-S

I \ пут 2 тр ' те ' г

+

+

-2673 - Se - (0,9489 - td - 78,86) • (с - с') + 78,86 1 + с + 2-ф + (к + N2 )-10-3-S + 2,026-S

т \ пут 2 тр / те ' г

(2)

С целью оценки влияния основных параметров (температура дутья, содержание в нем кислорода и влаги) на теоретическую температуру горения, полученную по формулам (1) и (2), были проведены расчеты. Исходные данные представлены в таблице 1, а результаты — в таблице 2.

Опираясь на данные в таблице 2, можно сделать вывод, что влияние основных параметров дутья на теоретическую температуру в обеих формулах практически одинаково.

Так как формулы (1) и (2) отличаются интервалом рассматриваемой температуры дутья, был проведен анализ ее влияния на ТТ, результаты которого представлены в таблице 3.

Общая разность полученной теоретической температуры горения топлива, рассчитанная по формуле (1) и (2), при от 900 оС до 1300 оС составила 15 оС, что со-ставляет 0,6 % от 2350 оС.

Таблица 1

Исходные данные для расчета теоретической температуры

td с Р Sж s те Sг с ' N2 тр СР те н те Отв Nmв

оС 3/ 3 м /м 3/ 3 м /м г/м3 г/м3 3, 3 м /м 3/ 3 м /м м3/кг кг/кг кг/кг кг/кг кг/кг

сУ- сУ- сухо- сухо- су- су- ПУТ ПУТ ПУТ ПУТ ПУТ

хого хого го го хого хого

ду- ду- дутья дутья ду- ду-

тья тья тья тья

1200о 0,23 0,01 - 80 - 0,01 0,75 0,7 0,04 0,078 0,017

Таблица 2

Влияние параметров дутья на теоретическую температуру горения в доменной печи

Параметры дутья Метод расчета

Формула (1), оС Формула (2), оС

Базовый вариант 2278 2202

Изменения параметров +0,01 м3/м3 сухого дутья, ю 2324 2246

А Тт 46 44

+100 0С, tй 2351 2272

А Тт 73 70

+ 0,01 м3/м3 сухого дутья, ф 2236 2164

А Тт -42 -38

Таблица 3

Влияние нагрева дутья на теоретическую температуру

№ Температура дутья, С Теоретическая температура, оС

Формула (1) Формула (2) Разность

1 900 2058 1994 64

2 1000 2131 2063 68

3 1100 2205 2133 72

4 1200 2278 2203 75

5 1300 2351 2272 79

Разность от 900 оС до 1300 оС 293 278 15

Разница базовых вариантов в таблице 2 ПУТ и соответствующем ему параллельно

составила 76 оС, поэтому были проведены подаваемом кислороде, результаты кото-

расчеты теоретической температуры горе- рых представлены в таблице 4. ния при различном количестве вдуваемого

Таблица 4

Влияние расхода ПУТ на теоретическую температуру горения в фурменной зоне

Расход ПУТ, г/м3 дутья Добавка кислорода с ПУТ, м3/м3 сухого дутья Теоретическая температура, оС

Формула (1) Формула (2) Разность

80 0,01 2278 2203 75

70 0,00875 2302 2234 68

60 0,0075 2326 2267 59

50 0,00625 2351 2300 51

40 0,005 2375 2334 41

30 0,00375 2400 2368 32

20 0,0025 2425 2404 21

10 0,00125 2450 2440 10

0 0 2475 2477 -2

Расчеты показали, что снижение расхода ПУТ приводит к уменьшению разности рассчитанной величины теоретической температуры по формуле (1) и (2). При этом основную роль в появлении разности играют вдуваемые параллельно кислород и газ, транспортирующий угольную пыль (азот).

Для транспортировки угольной пыли могут использовать природный газ, соответственно, в расчетах его расход увеличится на 0,75 м3/кг ПУТ. Опираясь на данные из таблицы 1 и указанные изменения, определили, что в этих технологических условиях теоретическая температура горения топлива в доменной печи составит 1996 оС, что на 207 оС меньше, чем при транспортировании азотом.

Выводы и направление дальнейших исследований.

Скорректирована методика расчета теоретической температуры горения Н. Е. Дунаева и Т. И. Кухтина с учетом современных особенностей работы доменных печей и технологии вдувания пылеугольного топлива. Предложенная методика в основном отличается учетом влияния кислорода и азота, поступающих в металлургический агрегат вместе с пылеугольным топливом.

Влияние основных параметров дутья на теоретическую температуру, рассчитанную по формулам (1) и (2), практически одинаковое.

В основном полученная по этим методикам Тт отличается за счет расхода пыле-угольного топлива, так как параллельно с ним обычно вдувают кислород для интенсификации горения угольной пыли и транспортирующий ее газ (чаще всего азот).

Библиографический список

1. Волков, Ю. П. Технолог-доменщик: справочник [Текст] / Ю. П. Волков, Л. Я. Шпарберг,

A. К. Гусаров. — М. : Металлургия, 1986. — 263 с.

2. Дунаев, Н. Е. Расчеты теоретической температуры фурменных газов в доменной плавке на дутье с добавками, обогащенном кислородом [Текст] / Н. Е. Дунаев, Т. И. Кухтин // Сталь. — 1977. — №7. — С. 600-604.

3. Доменное производство: Справочное издание: в 2-т.: Т.1. Подготовка руд и доменный процесс / под ред. Е.Ф. Вегмана [Текст]. — М. : Металлургия, 1989. — 496 с.

4. Ефименко, Г. Г. Металлургия чугуна [Текст] / Г. Г. Ефименко, А. А. Гиммельфарб,

B. Е. Левченко. — К. : Вища школа, 1981. — 496 с.

5. Писи, Дж. Г. Доменный процесс: теория и практика [Текст] / Дж. Г. Писи, В. Г. Давен-порт. — М. : Металлургия, 1984. — 142 с.

6. Касим, Д. А. Определение теоретической температуры горения при вдувании в горн доменной печи природного газа и пылеугольного топлива [Текст] / Д. А. Касим, В. П. Лялюк, А. К. Тараканов, В. С. Листопадов, Д. В. Пинчук //Металлургическая и горнорудная промышленность. — 2016. — № 2. — С. 38-43.

© Новохатский А. М. © Должиков В. В. © Диментьев А. О. © Падалка А. В.

Рекомендована к печати к.т.н., проф. каф. ММК ДонГТУ Ульяницким В. Н.,

нач. доменного цеха ЕМЗ, к.т.н. Кузнецовым А. М.

Статья поступила в редакцию 13.06.17.

д.т.н. Новохатський О. М., к.т.н. Должиков В. В., к.т.н. Дiментьeв О. О., Падалка О. В.

(ДонДТУ, м. Алчевськ, ЛНР)

ТЕОРЕТИЧНА ТЕМПЕРАТУРА ГОР1ННЯ ФУРМЕН1Й ЗОН1 ДОМЕННО1 ПЕЧ1 ПРИ ВДУВАНН1 ПИЛОВУГЫЬНОГО ПАЛИВА

Скориговано методику розрахунку теоретичног температури гортня в фурметй зот домен-ног neni, яка враховуе вплив газ1в, що вдуваються паралельно з пиловугтьним паливом (кисню, азоту i метану), та хiмiчного складу вугтьного пилу, температуру i вологiсть дуття.

Ключовi слова: доменна тч, горн, теоретична температура гортня, пиловугтьне паливо, кисень, азот, природний газ, температура i вологiсть дуття.

Doctor of Tech. Sc. Novohatskyi A. M., PhD Dolzhikov V. V., PhD Dimentiev A. O., Padalka A.

V. (DonSTU, Alchevsk, LPR)

THEORETICAL COMBUSTION TEMPERATURE IN TUYERE OF THE BLAST FURNACE AT PULVERIZED COAL INJECTION

Design procedure has been adjusted for theoretical combustion temperature in tuyere of the blast furnace that consider influence of gases like oxygen, nitrogen and methane injected concurrently with pulverized coal ^ fuel and chemical composition of coal dust, blast temperature and humidity.

Key words: blast furnace, hearth, theoretical combustion temperature, pulverized coal, oxygen, nitrogen, natural gas, blast temperature and humidity.