Інститут чорної металургії ім. З.І.Некрасова

НАЦІОНАЛЬНОЇ АКАДЕМІЇ НАУК України

МЕРКУЛОВ ОЛЕКСІЙ ЄВГЕНОВИЧ

УДК 669.162.2:662.6/9.004.8.(043)

ТЕХНОЛОГІЧНІ ЗАСАДИ ГАЗИФІКАЦІЇ

НЕКОКСІВНОГО ВУГІЛЛЯ З УТИЛІЗАЦІЄЮ

ВІДХОДІВ У ДОМЕННІЙ ПЕЧІ

Спеціальність 05.16.02 – ”Металургія чорних металів”

А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, м. Дніпропетровськ.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор Товаровський Йосип Григорович, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України, старший науковий співробітник

Офіційні опоненти:

докт.техн.наук, професор Шатоха Володимир Іванович, Національна металургійна академія України, проректор

канд.техн.наук Захарченко Валентин Миколайович, об’єднання підприємств ”Металургпром”, головний доменник

Провідна установа:

Донецький національний технічний університет України, кафедра руднотермічні процеси й маловідходні технології, Міністерства освіти й науки України (м. Донецьк).

Захист відбудеться ”21вересня 2007 р. о _12 00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 в Інституті чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук України (49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1. E-maіl: tovarovskіy@maіl.ru ).

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Інституту чорної металургії ім. З.І. Некрасова Національної академії наук (49050, м. Дніпропетровськ, пл. Академіка Стародубова, 1).

Автореферат розісланий ”_03_” __серпня___ 2007 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

К 08.231.01 Г.В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. До традиційних проблем чорної металургії України, пов’язаних зі збільшенням витрат на виробництво підготовленої залізорудної сировини (агломерату, окатишів), утворенням і нагромадженням значної кількості промислових відходів і необхідністю зниження екологічного навантаження в місцях розташування металургійних підприємств, додалася ще одна – збільшення ціни природного газу. У ситуації, що склалася, важливо прогнозувати імовірну енергетичну ситуацію в майбутньому й розробити заходи для попередження енергетичної кризи, звернувши особливу увагу на впровадження енергозаощаджуючих технологій і можливість заміни одних видів палива іншими.

Необхідність імпорту спікливого вугілля, коксу, природного газу за світовими цінами ставить задачу формування нової структури паливно-енергетичного балансу держави в низку першочергових. Вирішення цієї задачі значною мірою визначається металургією, яка витрачає на виробництво металопродукції близько 1/3 загальних витрат теплової енергії в промисловості України. У зв’язку із цим представляється доцільним для галузі переглянути структуру паливно-енергетичного балансу в напрямку мінімізації витрат дефіцитних видів палива й використання в металургійних технологіях вітчизняного вугілля і продуктів його переробки.

З відомих способів перетворення вугілля для високотемпературних металургійних процесів пріоритетним є газифікація. Головними умовами, які визначають вибір способу газифікації, є якість і характеристика вугілля; вимоги до складу, температури й тиску генераторного газу; екологічні й техніко-економічні аспекти; можливість утилізації відходів.

Оскільки процес виробництва чавуну значною мірою формує структуру й кількість споживаних в чорній металургії енергетичних ресурсів (~70%), насамперед коксу й природного газу, використання генераторного газу в доменному виробництві може відіграти вирішальну роль при вирішенні розглянутої проблеми.

В кон’юнктурних умовах, що склалися, доменні печі можуть бути придатні для виконання функції газифікації вугілля. Одержуваний при цьому відновний газ може бути використаний як для вдування в інші доменні печі для заміни природного газу й коксу, так і для використання в інших технологічних і енергетичних агрегатах у якості теплотворного палива.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. В основу дисертації покладені результати науково-дослідних робіт ”Вивчення процесів і розробка режимів функціонування доменної печі як газогенератора некоксівного вугілля з утилізацією відходів”, № державної реєстрації (д. р.) 0102V004735; ”Вивчення ходу процесів і розподілу шкідливих елементів у температурних зонах доменної печі-газогенератора й вироблених продуктах”, № д. р. 0105U002970, у яких автор брав участь у якості відповідального виконавця й керівника роботи відповідно.

Мета й задачі дослідження. Метою роботи є розробка технології газифікації вугілля з утилізацією вторинних ресурсів за рахунок тимчасового переведення доменних печей у режим газогенераторів кускового вугілля для отримання генераторного газу, використання якого приведе до економії природного газу й коксу на металургійних комбінатах.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

· розробити методику розрахунку процесу газифікації вугілля в доменній печі й виконати оцінку ефективності нової технології;

· зробити вибір шихтових матеріалів з необхідними властивостями і з урахуванням вмісту в них шкідливих домішок;

· розробити режими функціонування агрегату для одержання необхідних цільових продуктів – газу й розплавів;

· для виявлення граничних станів вивчити характер розподілу температур по висоті агрегату при різних режимах газифікації вугілля.

Об’єкт дослідження. Доменна піч, яка використовується для виробництва генераторного газу широкого призначення.

Предмет дослідження. Особливості технології роботи доменної печі в режимі газогенератора при використанні металургійних відходів і різних режимів роботи агрегату.

Методи дослідження. При виконанні роботи використані чисельні методи моделювання для вивчення розподілу температур по висоті доменної печі-газогенератора й аналізу впливу різних параметрів на перебіг процесу газифікації за різних режимів. Крім аналітичних досліджень виконано визначення вмісту шкідливих домішок у шихтових матеріалах, а також на лабораторних установках Інституту вивчено поводження деяких компонентів шихти в умовах, наближених до пропонованої технології.

Наукова новизна отриманих результатів:

· В перебігу експериментальних досліджень встановлено близькість величин швидкостей виділення смол з вугілля і їхньої деструкції в потоці газів. Внаслідок цього прискорене нагрівання шихти в просторі колошника у випадку використання смолистих вугіль не скорочує кількості смол, що видаляються з газом. Це вимагає уловлювання смол або використання малосмолистих вугіль (антрацит, пісний), коксового ”горіха”, напівкоксу).

· Експериментальними дослідженнями встановлено принципову можливість попередження захаращення вугільної насадки при руйнуванні кусків вугілля зі збереженням необхідних в’язкісних характеристик шлакового розплаву шляхом регулювання співвідношення в шихті FeO- і MnO-вмісних металургійних шлаків (зварювальний, конвертерний, силікомарганцю).

· На основі аналітичних досліджень виявлені найбільш раціональні режими ведення плавки, що вміщують завантаження в піч малосмолистого вугілля, напівкоксу, коксового ”горіха” з металовмісними відходами й вдування непідігрітого дуття (~200°С), збагаченого киснем до 23–25%.

· Уперше на основі багатозонної моделі встановлено характер зміни температур шихти й газу по висоті печі-газогенератора й показано зміни теплоспоживаючих процесів по висоті агрегату за різних режимів роботи й використанні різних шихтових матеріалів, а також виявлено сполучення режимів роботи й шихтових матеріалів, що відповідають припустимим межам за кількістю шкідливих домішок.

Практичне значення отриманих результатів. Отримані в дисертації теоретичні результати дозволяють організувати на доменних печах генерацію відновних і опалювальних газів з вугілля із утилізацією залізовмісних відходів. Використання отриманих газів у пальникових пристроях, у тому числі для підігрівання дуття, буде сприяти вивільненню природного газу, а застосування їх для опалення коксових батарей – вивільненню коксового газу з подачею останнього в доменні печі для зменшення витрат коксу.

Особистий внесок здобувача. У дисертації теоретичні дослідження, їхня обробка, а також узагальнення отриманих результатів виконані автором самостійно. У співавторстві з науковими співробітниками відділу металургії чавуну Інституту чорної металургії ім. З.І.Некрасова НАН України виконані експериментальні дослідження характеру перетворення смол і летючих при взаємодії з газовим потоком при швидкісному нагріванні вугілля й поводження металургійних шлаків у просторі плавлення й фільтрації розплавів через вугільну (коксову) насадку.

Апробація результатів дисертації. Основні положення роботи викладені у формі доповідей і тез на 15 науково-практичних конференціях, у тому числі: ”Молода Академія”, (Дніпропетровськ, 2003, 2004, 2005, 2006); ”Енергозбереження на підприємствах металургійної й гірничої промисловості (нові рішення) ”, ( С-Петербург, 2004); Міжнародній науково-технічній конференції, присвяченій 70-річчю КДГМК ”Криворіжсталь” (Кривий Ріг, 2004); конференції молодих фахівців ”Азовсталь–2005”, (Маріуполь, 2005); XIV Міжнародній конференції ”Теплотехніка й енергетика в металургії” (Дніпропетровськ, 2005); ”Пиловугільне паливо – альтернатива природному газу при виплавці чавуну” (Донецьк, 2006).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 8 наукових працях: 2 статті в наукових журналах, 4 статті в збірниках наукових праць, 2 у матеріалах конференцій. У фахових виданнях – 6 статей.

Структура дисертації. Робота складається із вступу, 5 розділів і висновків, викладена на 144 сторінках, вміщує 19 рисунків, 40 таблиць, 2 додатки й список використаних літературних джерел із 106 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Перший розділ ”Обґрунтування можливості використання доменної печі для газифікації вугілля і загальна схема процесу”. Виконано аналіз існуючих підходів до заміни природного газу й коксу на основі технології комбінування доменної плавки й газифікації твердого палива й отриманням відновних газів у газогенераторах щільного шару з рідким шлаковидаленням. В Інституті чорної металургії НАН України разом з Інститутом високих температур (ІВТАН) і Національною металургійною академією України (НМетАУ) в 90-х роках 20-го століття проводилися роботи, спрямовані на одержання гарячих відновних газів (ГВГ). Перевагою вдування ГВГ у фурми доменної печі, у порівнянні з використанням сирих паливних добавок, є можливість подачі в доменну піч більшої кількості відновників, внаслідок чого скорочуються питомі витрати коксу за рахунок зниження ступеня прямого відновлення й додатково внесеної газом теплоти.

На відміну від попередників, запропонована технологія газифікації кускового вугілля з утилізацією відходів, дозволяє отримати в доменних печах газ більш широкого призначення (технологічний, енергетичний, відновний). Поряд з отриманням цільового продукту – газу, є можливість утилізації металургійних шлаків з одержанням як побічного продукту чавуну й шлаків різного складу й властивостей.

Літературний огляд практичних показників роботи газогенераторів з рідким шлаковидаленням показав, що газ на виході зі стовпа шихти має високу температуру (до 800°С). Оскільки така висока температура неприпустима за умовами служби завантажувального пристрою доменної печі, автором було запропоновано використання в якості ”охолоджувачів” газу не тільки вологи і газів, але й твердих кускових матеріалів (шлаки – конвертерний, зварювальний, феромарганцю, силікомарганцю), що завантажуються разом з вугіллям. Ці матеріали містять добавки, які флюсують, і інші корисні компоненти, що витягаються в розплав (чавун і шлак). Таким чином, поряд з енергетичними вирішуються екологічні проблеми підприємства й галузі. Використанням металургійних шлаків у якості ”охолоджувачів” газу вирішуються дві важливі технологічні задачі: 1) оскільки вони не містять легковідновних оксидів, які віддають кисень у шахті непрямим шляхом, газ, що відходить, не поповнюється газоподібними продуктами відновлення (Н2О і СО2), які зменшують його теплоту згоряння; 2) регулюванням співвідношення в шихті FeО- і MnО-вмісних металургійних шлаків існує можливість попередження захаращення вугільної насадки при руйнуванні кусків вугілля зі збереженням необхідних в’язкісних характеристик шлакового розплаву.

У випадку порушення умови безперебійного і гарантованого завантаження в піч твердих ”охолоджувачів” газу, пропонується нетрадиційний прийом – двоетапне охолодження газу:

– до температури 500–650°С у стовпі шихти, шляхом завантаження з вугіллям суміші твердих кускових ”охолоджувачів” газу (шлаків силікомарганцю, феромарганцю, конвертерних шлаків, зварювальних шлаків і ін.);

– до температури 200–400°С – різке охолодження газу при виході зі стовпа шихти шляхом подачі над рівнем засипки матеріалів охолодженого колошникового (генераторного) газу (рециркуляція).

Сутність рециркуляції полягає в тому, що над рівнем засипки матеріалів, які розташовують біля нижньої крайки колошника, по колу встановлюють фурми для вдування охолодженого колошникового газу (50–80°С), що дозволяє після змішування його з шахтним газом одержати температуру колошникового газу, який відходить із печі, 200–400°С. Охолоджений газ рециркулює в системі і до нього можна додати будь-який сторонній газ. Для забезпечення необхідної температури колошникового газу в кожному випадку встановлюється кількість газу, що рециркулює.

Другий розділ ”Аналіз ресурсної бази і лабораторні дослідження процесів газифікації вугілля і утилізації відходів”.

Некоксівне вугілля, визначене як сировинна база для технології газифікації в доменній печі, представлено крайніми позиціями в шкалі метаморфізму вугілля: буре і довгополуменеве вугілля – на початку; антрацити – наприкінці шкали. Властивості цих вугіль із позицій газифікації в доменній печі істотно відрізняються.

Розпад органічної маси в результаті розриву ковалентних зв’язків з утворенням газової фази (початок термічної деструкції) у бурого вугілля відбувається при температурі >160°С, у довгополуменевого – >170°С, пісного – 320°С, а антрациту  – >380°С.

Характеристика некоксівного вугілля за смоловиділенням така: (% до органічної маси): буре – 7,5–9,8; довгополуменеве – 4,8–6,4; антрацити – 0,1–0,13. Близьке до антрацитів за цією ознакою – пісне вугілля.

Термостійкість вугілля характеризує здатність зберігати міцність шматків в умовах термомеханічних впливів. Так, буре вугілля практично не має механічної термостійкості, механічна термостійкість довгополуменевого вугілля – на рівні 5–15%, а в антрацитів – 25–58%. Термостійкість пісного вугілля підлягає уточненню. На термостійкість вугілля має великий вплив швидкість їхнього нагрівання (чим вище швидкість нагрівання, тим нижче термостійкість), що важливо для умов доменної печі й накладає певні вимоги на формування температурного поля, яке характерне нерівномірною швидкістю нагрівання (від 300°С до 600°С/год.).

У зв’язку з істотною залежністю процесу смоловиділення від умов нагрівання, виконали дослідження в умовах, наближених до спостережуваного в пропонованій технології в доменній печі. У лабораторних умовах термогравіметричним методом вивчили характер піролізу вугілля марки ”Г”. На рис. 2 представлені результати термічного аналізу (в координатах різниця температур – час).

Рис. 2. Термограма вугілля

1 – температура нагріву; нульова лінія різниці температур між еталоном і зразком;

2 – різниця температур між еталоном і зразком.

У якості еталону використовувався Al2O3.

З термограми вугілля випливає, що при нагріванні зразка в інтервалі температур 100–700°С в ньому відбуваються фізико-хімічні процеси, пов’язані з поглинанням теплоти. До них, у першу чергу відноситься видалення гігроскопічної піролітичної води й утворення рідких і газоподібних продуктів деструкції в результаті руйнування макромолекул речовини. При температурах понад 700°С переважними є процеси синтезу й росту конденсованих структур, що відбуваються в умовах виділення теплоти. Термічні ефекти різних процесів перекриваються, що приводить до плавної зміни термограм.

Визначення рідких продуктів піролізу проводили на спеціальному пристрої. Термообробка вугілля проводилася у двох режимах: а) повільне нагрівання разом з піччю зі швидкістю близько 5°С/хв; б) ”термоудар”, коли проба поміщувалася в попередньо нагріту до 900°С піч і перебувала там 20 хв. (час установлений експериментально за стабілізацією маси твердого залишку).

Експерименти показали, що в описаних умовах при повільному нагріванні й ”термоударі” втрата маси вугілля однакова й становить близько 34,5%, у тому числі смоли ~9%. Решта 25,5% приходяться на гігроскопічну вологу, піролітичну вологу й різні гази (CH4, CO2 і ін.). Конденсація смол у холодильниках відбувається по різному: при повільному нагріванні в першому холодильнику конденсується ~60% смоли, а в другому холодильнику – 40% від загальної її кількості; при швидкому нагріві 23% смол конденсуються в першому холодильнику й 77% – у другому холодильнику. Це обумовлено тим, що при швидкісному нагріванні внаслідок виділення великої кількості газу за більш короткий час швидкість проходження його через холодильники збільшується, смола ”не встигає” сконденсуватися в першому холодильнику в тому ступені, як при повільному нагріванні, і основна конденсація відбувається в другому холодильнику. Твердий залишок спікається в пористу масу, що вказує на наявність рідкої фази в процесі газовиділення. Самоспікання пояснюється тим, що в умовах експерименту частина смоли закоксовується.

Таким чином, на відміну від результатів, отриманих для стаціонарних умов, в умовах потоку газу на колошнику доменної печі гальмування смоловиділення при прискоренні нагрівання вугілля не спостерігається. Це пояснюється сумірністю (порівнянністю) швидкостей утворення твердої фази при прискоренні нагріванні вугілля й віднесення рідких фракцій газовим потоком. Тому у випадку використання смолистого вугілля необхідне спорудження смолоочистки, а найбільш раціональний шлях організації технології – використання пісного вугілля, антрацитів, а також напівкоксу й коксового ”горіху”.

Вивчення поведінки матеріалів у нижній частині печі, в просторі плавлення й фільтрації розплавів виконали на установці, яка дозволяє реєструвати усадку залізорудного матеріалу в міру нагрівання, спостерігати характер формування й відділення від коксової (вугільної) насадки рідких фаз, фіксувати їхню кількість, а потім досліджувати склад і властивості (табл. 1).

При дослідженні різних шихтових матеріалів встановлено, що в процесі фільтрації розплавів через насадку відбувається сегрегація компонентів, у ході якої частина розплаву витікає, інша залишається в насадці у вигляді тугоплавкої маси, причому обидві частини гетерогенні. Залишок у насадці (6–48% по масі) вміщує шлакову й залізовуглецеву складові й характерний наявністю підвищеної кількості CaО, MgО, C і зниженого – FeО на відміну від частини, яка профільтрувалася, де менше CaО, MgО, C і більше FeО. Характеристики плавкості матеріалів по мірі розчинення в них золи вугілля показали зниження температури плавлення конвертерних шлаків і шлаків силікомарганцю, причому у випадку конвертерних шлаків – більш сильне, ніж у випадку шлаків силікомарганцю.

За однакових матеріалів температура початку фільтрації (Тпф) рідких фаз і залишок розплаву на вугільній насадці більші, ніж на коксовій. Це пов’язано з процесами коксування вугілля і його руйнування в ході високотемпературної обробки. При цьому розчинення в тугоплавких розплавах золи вугілля поліпшує характеристики фільтрації, а добавка руди (або іншого легкоплавкого матеріалу) дозволяє отримати розплави з необхідними властивостями, попереджаючи формування захаращення горна в ході руйнування кусків вугілля.

Таблиця 1

Хімічний склад і основні високотемпературні властивості

залізовмісних матеріалів

Матеріал |

Хімічний склад, % | Високотемпературні властивості |

Високотемпературні

характеристики | Глибина

проникнення

розплаву в

ШПД–41, мм |

Feзаг |

FeО |

SiО2 |

CaО |

MgО |

Тпг,

°С |

Тпф,

°С |

FeOпш,

% | Маса перв. шлаку, % | температурний діапазон

1350–1380°С | Шлак конвертерний | 20,5 | 13,7 | 16,7 | 43,2 | 4,55 | 1420 | 1540 | 11,6 | 5,8 | 0,5–0,1 | Шлак мартенівський | 24,8 | 20,9 | 18,8 | 30,6 | 10,8 | 1290 | 1330 | 17,8 | 28,0 | 2–6 | Шлак збагачений | 32,2 | 18,0 | 17,6 | 26,7 | 5,2 | 1270 | 1340 | 22,2 | 12,0 | 2,0–5,0 | //–//–//–//–//–//–//– | 38,5 | 11,8 | 16,5 | 25,6 | 4,1 | 1270 | 1360 | 7,4 | 17,0 | 1–3 | //–//–//–//–//–//–//– | 48,3 | 29,5 | 13,8 | 22,9 | 4,6 | 1340 | 1430 | 19,6 | 13,0 | 2–6 | 50% Руда+50%КШзбаг40,35 | 10,25 | 22,8 | 13,8 | 2,9 | 1370 | 1450 | 24,6 | 24,0 | н.д. | Скрап | 70,1 | 14,0 | 7,2 | 13,6 | 4,4 | 1490 | 1520–– | н.д. |

Третій розділ ”Розрахунково-аналітичне дослідження процесів газифікації вугілля у доменній печі”. Для аналізу різних варіантів технології застосовувалася балансова методика розрахунку показників газифікації вугілля в доменній печі й відповідна розроблена комп’ютерна програма. В перебігу різноманітних розрахунків варіювали склад металургійних відходів і флюсів, вміст кисню в дутті, його вологість і температуру, ціни ресурсів. Параметри процесу розрахували при газифікації антрациту, пісного вугілля, коксового ”горіха”, напівкоксу з рециркуляцією й без рециркуляції охолодженого газу на колошнику.

Розрахунок виконувався у двох режимах: 1-й – прямий розрахунок, 2-й – ітераційний процес. У першому випадку здійснюється однократний розрахунок показників при заданих вихідних умовах. У другому випадку, крім вихідних даних задається бажане значення температури шахтного газу й організовується ітераційний процес для його досягнення шляхом варіювання однієї з величин: кількістю твердих ”охолоджувачів” газу в стовпі шихти, температурою дуття, вологістю дуття. Також визначається кількість газу, що рециркулює для досягнення заданої температури колошникового газу. Температурою шахтного газу вважається температура газу на виході із шару шихти, а температурою колошникового газу – температура, з якою газ залишає піч.

На основі виконаних розрахунків розглянуто вплив кожного параметра на показники процесу газифікації.

Підвищення нагрівання дуття збільшує кількість фізичної теплоти, внесеної в піч. При цьому, якщо зберегти колишню кількість дуття й, отже, колишню кількість вугілля, яке спалюється за одиницю часу, то температура шахтного газу підвищиться. Для зниження температури шахтного газу буде потрібно гасити надлишки теплоти в горні або подачею пару, або збільшенням кількості твердих ”охолоджувачів”, що завантажуються, на ту ж, що й раніше, кількість вугілля й газів. Зазначені варіанти нерівноцінні як за витратою палива, так і за економічними критеріями, що ілюструється результатами розрахунків (параметри газифікації: пісне вугілля, металовмісні – (шлак SiMn + зварювальний шлак), флюс – конвертерний шлак поточного виробництва, tд=1100°С, О2 = 21%) на рис. 3 і 4.

Рис. 3. Витрати умовного палива, (кг/МДж теплоти газу) на зниження температури шахтного газу підвищенням вологості дуття () і добавкою металовмісних відходів (¦) | Рис. 4. Витрати $/МДж теплоти газу (з урахуванням вартості одержуваного в газогенераторі металу) на зниження температури шахтного газу при варіюванні вологістю дуття () і витратами металовміщуючих відходів (¦) |

Незважаючи на підвищення якості газу, добавка пару підвищує вартість МДж теплоти в одержуваному газі. Добавка металовмісних шлаків також пов’язана з додатковими витратами палива, однак за рахунок попутно виплавлюваного металу економічно вигідна. Слід також зазначити, що підвищення нагрівання дуття технологічно ускладнює процес, тому що викликає погіршення газопроникності шару за рахунок підвищення температури газів у горні, збільшення їхнього обсягу й швидкості. Негативна роль цих факторів підсилюється при роботі на механічно й термічно неміцній шихті. Поряд із цим є переваги, пов’язані зі збільшенням концентрації температур у нижній частині печі, що сприяє відновленню складновідновних оксидів.

Таким чином, робота з нагрітим дуттям, хоча й приводить до підвищення витрат палива, економічно вигідна, але технологічно ускладнена. Уникнути зазначених ускладнень можна при роботі на ”холодному” – непідігрітому дутті. Мається на увазі температура дуття на виході з повітродувної машини. Температура непідігрітого дуття залежить від ступеня стиснення в повітродувній машині й може бути визначена за спеціальними номограмами. Температуру горіння біля фурм й відповідно умови шлакоутворення й плавлення можна регулювати шляхом збагачення дуття киснем. Кисневе дуття, крім підвищення температури газів у нижній зоні печі, викликає також підвищення вмісту оксиду вуглецю й відповідно теплоти згоряння генераторного газу.

Аналіз впливу параметрів газифікації на показники процесу показав, що найбільш ефективно з технологічної й економічної точки зору зниження температури шахтного газу до значень, сприятливих за умовами служби обладнання завантаження печі, досягається за рахунок зниження температури дуття й збільшення витрат твердих ”охолоджувачів”. Межі використання цих заходів визначаються технологічними особливостями ходу процесів, що припускають досягнення необхідного перегріву рідких продуктів плавки при високій теплоті згоряння одержуваного газу.

Для вивчення температурного поля по висоті доменної печі-газогенератора було розроблено методику розрахунку, засновану на сполученні систем рівнянь загального й багатозонного матеріально-теплового балансу. В основу методики зонального розрахунку була покладена модель професора Товаровського Й.Г., у якій розрахунок матеріально-теплових характеристик здійснюється послідовно в 12 температурних зонах по висоті печі: 1-а зона – температура шихти від завантаження до 400°С, далі через кожні 100°С. У кожній зоні визначається об’єм матеріалів і час їхнього перебування, а також температура й склад вхідних і вихідних газів. Ітераційний цикл організовано за уточненням збіжності сумарного часу перебування матеріалів у печі й часу перебування, обчисленого за продуктивністю печі й щільністю матеріалів.

При вивченні температурного поля доменної печі-газогенератора встановлено S-подібний характер зміни температур шихти й газу по висоті печі з більш-менш вираженою зоною уповільненого теплообміну. Відмінність фізико-хімічних властивостей шихтових матеріалів кожного з розрахованих варіантів обумовлює зміну загальної теплопотреби і перебігу теплообмінних процесів.

Тепловий режим роботи печі у варіантах без рециркуляції газів (з низькою температурою шахтного газу) близький до виплавки переробного чавуну в доменній печі (рис. 5,а).

Температурне поле у варіантах з рециркуляцією й високою температурою шахтного газу аналогічне розподілу температур при виплавці в доменній печі феросплавів. Зменшення рудних навантажень приводить до зменшення градієнтів температур, і розподіл температур по висоті доменної печі-газогенератора стає ближче до класичної схеми професора Китаєва Б.І (рис. 5,б).

Четвертий розділ ”Оцінка умов газифікації вугілля за різними критеріями і вибір раціональних режимів з комплексу умов”.

В усіх варіантах розрахунків за критеріями найменшої витрати умовного палива й грошових витрат на 1 МДж теплоти газу пріоритети твердих ”охолоджувачів” газу розташувалися в порядку зростання вартості: шлак силікомарганцю (ШСМ) – зварювальний шлак (ЗШ) – КШзбаг – Скрап, а за критерієм грошових витрат з урахуванням заданої вартості чавуну, отриманого попутно при газифікації вугілля – у зворотному порядку.

Рис. 5. Зміна температури матеріалів (¦) і газів () у часі перебування

матеріалів у печі при газифікації напівкоксу (КШзбаг + Вапняк)

(а – без рециркуляції; б – з рециркуляцією газу)

При газифікації без рециркуляції шахтного газу мінімальні витрати умовного палива (УП) для одержання газу мають місце у варіантах дуття без його підігрівання зі збагаченням киснем до 23% (табл. 2). У цих же варіантах найменші витрати коштів ($/МДж теплоти газу). Однак показник витрат коштів з урахуванням заданої вартості чавуну найменший у варіанті нагрітого до 1100°С дуття. Це обумовлено тим, що при високому нагріванні дуття для досягнення заданої температури шахтного газу й колошника необхідні більші добавки ”охолоджувачів” з одержанням додаткового чавуну. Вибір останнього варіанта в якості пріоритетного був би обґрунтованим, якби він був технологічно рівноцінним. Однак у цьому варіанті мають місце рудно-флюсове навантаження (2,3–2,7 кг/кг) і рідинне навантаження на вугільну насадку (2,4–2,9 кг/кг), близькі до доменної плавки при властивостях вугілля, що істотно поступаються коксу. Тому реалізація такого варіанту технологічно ускладнена й не може бути прийнята. Із двох прийнятних варіантів без підігрівання дуття пріоритетним можна вважати варіант зі збагаченням дуття киснем до 23–25%, тому що в цьому варіанті вища температура біля фурм (1837°С и 1946°С проти 1724°С на атмосферному дутті).

Для однакових умов варіанти з рециркуляцією шахтного газу дають трохи менші витрати УП і коштів ($), ніж без рециркуляції, однак з урахуванням вартості одержуваного чавуну вони менш ефективні. Варіант із нагріванням дуття до 1100°С при рециркуляції шахтного газу стає реалізованим і порівнянним за ефективністю з варіантом без рециркуляції при tд=200°С, о2=23%.

За витратами УП на 1 МДж теплоти газу найкращим є антрацит, однак витрати $/1 МДж при використанні антрациту більші, ніж при використанні пісного вугілля через більшу вартість першого. З урахуванням же заданої вартості чавуну антрацит дає безсумнівні переваги. Близькі до антрациту показники дає використання коксового ”горіха”.

Таким чином, найбільш ефективним і доступним у реалізації є варіант роботи печі з подачею дуття в повітряні фурми від повітродувної машини (~200°С) без його підігріву при концентрації кисню 23–25% і без рециркуляції шахтного газу. Пріоритетним паливом є антрацит, а при його відсутності – пісне вугілля. Можливе використання суміші цих вугіль із коксовим ”горіхом”.

Таблиця 2

Основні показники процесу газифікації твердого палива в доменній печі

ПОКАЗНИКИ | Пісне вугілля | Антрацит | ”металовмісні” / флюс | КШзбаг / КШпот | ЗШ+ШСМ / КШво | КШзбаг / КШпот | КШзбаг / КШпот | ЗШ+ШСМ / КШво | КШзбаг / КШпот | Тем-ра шахтного газу, °С | 300 | 500 | 500 | 300 | 500 | 500 | Тем-ра колошника, °С | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | 300 | Витрата металовміс., т/доб. | 1493 | 767 | 2940 | 3770 | 1437 | 5133 | Витрата флюсу, т/ доб | 875 | 767 | 552 | 85,5 | 914 | 138 | Теор.тем-ра горіння, °С | 1837 | 1946 | 2385 | 1837 | 1946 | 2385 | Кіл-ть дуття, тис.м3/год | 129,5 | 120,2 | 132,5 | 168,3 | 154,4 | 173,0 | Температура дуття, °С | 200 | 200 | 1000 | 200 | 200 | 1000 | Вміст О2 у дутті, % | 23 | 25 | 21 | 23 | 25 | 21 | Вихід газу, тис. м3/год | 195,9 | 188,5 | 198,1 | 242,3 | 232,7 | 245,6 | Склад волог. газу, %: СО | 34,6 | 37,0 | 32,8 | 35,4 | 38,6 | 33,6 | СО2 | 0,53 | 0,77 | 0,57 | 0,3 | 0,77 | 0,39 | Н2 | 11,7 | 12,1 | 11,6 | 8,59 | 8,87 | 8,5 | S, г/м31,4 | 1,9 | 1,13 | 0,73 | 1,03 | 0,56 | Теплота згоряння, кДж/м3 | 5648 | 5986 | 5401 | 5405 | 5841 | 5169 | Метал: маса, т/доб. | 1105 | 528 | 1830 | 2106 | 772 | 2857 | Вміст, %: Si | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | 1,0 | Mn | 6,3 | 13,91 | 5,06 | 4,43 | 15,2 | 4,44 | S | 0,021 | 0,027 | 0,017 | 0,014 | 0,018 | 0,011 | Р | 0,63 | 0,72 | 0,47 | 0,37 | 0,48 | 0,37 | Шлак: маса, т/доб1540 | 1223 | 1952 | 1829 | 1480 | 2481 | Вміст, %: CaО | 41,9 | 44,1 | 41,47 | 42,0 | 45,78 | 42,3 | SiО2 | 34,9 | 36,8 | 34,6 | 35,0 | 38,15 | 35,2 | Al2O3 | 12,4 | 11,3 | 12,9 | 11,52 | 6,83 | 11,2 | MgО7,91 | 4,0 | 8,12 | 8,49 | 4,88 | 8,51 | MnО | 1,93 | 2,58 | 2,04 | 2,2 | 3,42 | 2,2 | FeО | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | 0,3 | S | 1,46 | 1,9 | 1,19 | 0,95 | 1,28 | 0,74

В’язкість шлаків,1400°С, Па·с

1500°С, Па·с | 0,805

0,384 | 0,593

0,283 | 0,555*

0,388 | 0,868

0,414 | 0,678

0,323 | 0,579*

0,405 | Сіркопогл. здатність, % | 22,8 | 16,2 | 23,0 | 24,3 | 19,2 | 23,8 | Витрати УП,кг/МДж тепл.газу | 2,53 | 2,72 | 2,57 | 2,24 | 2,37 | 2,27 | Витрати $/МДж тепл. газу | 0,096 | 0,084 | 0,113 | 0,126 | 0,097 | 0,136 | Витрати $/МДж теплоти газу при ціні чавуну 100 $/т

0,0 |

0,0139 |

0,0 |

0,0 |

0,0164 |

0,0 | *При t=1450°С

У якості твердих ”охолоджувачів” газу доцільно використовувати суміші конвертерного шлаку збагаченого зі шлаками силікомарганцю, а у якості флюсу – конвертерні шлаки (поточного виробництва або високої основності). Одержуваний метал доцільно доливати до звичайного переробного чавуну в кількості 5–10%, що дозволить вивести марганецьвмісні добавки з доменних шихт при збільшенні вмісту фосфору в суміші в припустимих межах. У випадку автономного використання чавуну вміст фосфору можна регулювати заміною частини конвертерних шлаків сирим вапняком при деякому збільшенні вмісту СО2 у газі.

П’ятий розділ ”Технічні рішення і ефективність реалізації нової технології”.

Для порівняльної оцінки кращих технологічних варіантів виконали додаткові розрахунки, у яких ціна генераторного газу задана, а вартість отриманого в газогенераторі металу, як побічного продукту, визначалася ітераційним методом. Ціна генераторного газу задавалася у двох варіантах 0,0 і 0,002 $/МДж теплоти газу. Перша з них умовна, остання – відповідає вартості 1 МДж теплоти в природному газі (у цінах 2004 року). Аналіз отриманих результатів показав, що вартість металу мінімальна при використанні в якості твердих ”охолоджувачів” газу конвертерного шлаку збагаченого. У цих же варіантах мінімальний вміст фосфору в чавуні, тому що менше його вноситься флюсом (конвертерним шлаком поточного виробництва (КШпот). У варіантах використання шлаків силікомарганцю за рахунок малого виходу металу вартість чавуну виявляється вищою за існуючу його ціну, а вміст фосфору підвищений.

Найбільш економічно вигідним при більш ”чистому” за складом металом є варіант роботи на антрациті при використанні в якості ”охолоджувача” конвертерного шлаку збагаченого (КШзбаг). Добавка в паливну частину шихти коксового ”горіха” мало змінює формальні економічні показники, але є досить корисною для технології, тому що поліпшує параметри вугільної насадки й відповідно сприяє поліпшенню фактичних показників. При добавці в паливну частину шихти пісного вугілля економічні показники трохи погіршуються, але вартість чавуну залишається значно нижчою за існуючу. При цьому для варіанта використання пісного вугілля підвищення ефективності може бути досягнуто шляхом використання у якості флюсу сирого вапняку замість конвертерного шлаку поточного виробництва (табл. ). Вміст СО2 у газі при цьому збільшується незначно (0, 1%), теплота згоряння газу росте, а ціна чавуну наближається до значень при використанні коксового ”горіха” і антрациту.

Таким чином, найбільш реальним і ефективним режимом роботи доменної печі в режимі газогенератора є вдування непідігрітого дуття (200°С), збагаченого киснем до 23%, при використанні суміші пісного вугілля й антрациту, у якості ”охолоджувачів” – конвертерного шлаку збагаченого, а у якості флюсу – вапняку.

У табл. 4 приводяться результати розрахунку такого режиму для доменної печі об’ємом 1719 м3.

Ефективність реалізації запропонованого режиму нової технології включає дві складові: 1) економію коштів за рахунок заміни природного газу продуктами газифікації вугілля в паливних агрегатах, або в доменній печі; 2) зменшення вартості чавуну, отриманого в процесі газифікації вугілля, щодо вартості чавуну в доменних печах, що працюють на коксі.

Величина першої складової визначається кількістю й теплотою згоряння виробленого газу – замінника природного газу. При виробництві його 218,8 тис.м3/год і теплотою згоряння 5533 кДж/м3 (табл. ) ним можна замінити кількість природного газу теплотою згоряння 36000 кДж/м3 –33560 м3/год. При вартості природного газу 0,6 грн/м3 річна економія складе – 172,9 млн. грн. Заміна може бути реалізована в різних енергетичних агрегатах підприємства.

Друга складова ефекту виходить у доменному цеху за рахунок заміни частини чавуну, виробленого в доменних печах на коксі чавуном з печі-газогенератора. При виробництві чавуну 1713 т/доб. й вартості доменного чавуну 150т, а чавуну з печі-газогенератора – 84,2т, річна економія складе: 1713 • 357 • (150 – 84,2) • • 5,4217,3 млн. грн.

Таблиця 3

Основні показники процесу газифікації твердого палива

у доменній печі без рециркуляції газу при tд=200 °C, О2=23%

ПОКАЗНИКИ | Пісне вугілля | Антрацит | Напівкокс | ”металовмісні” / флюс | ШСМ /

Вап | КШзб /

Вап | ШСМ / Вап | КШзб /

Вап | ШСМ / Вап | КШзб / Вап | Тем-ра шахтного газу, °С | 300 | Тем-ра колошника, °С | 300 | Витрата вугілля, т/доб | 1500 | Витрата металовміс., т/доб | 717 | 2181 | 1335 | 3831 | 528 | 1607 | Витрата флюсу вапняку, т/доб. | 717 | 155 | 971 | 22,5 | 707 | 293 | Рудне навантажен, кг/кг вуг. | 0,96 | 1,56 | 1,54 | 2,57 | 0,82 | 1,27 | Теор.тем-ра горіння, °С | 1837 | Кіл-ть дуття, тис.м3/год | 122,4 | 127,7 | 160,2 | 169,2 | 113,6 | 117,6 | Вихід газу, тис. м3/год | 200,4 | 195,3 | 251,2 | 242,4 | 179,0 | 175,3 | Склад волог. газу, %: СО | 38,2 | 35,0 | 39,7 | 35,6 | 40,3 | 37,7

СО2 | 1,21 | 0,61 | 1,11 | 0,31 | 1,52 | 1,04

Н2 | 11,4 | 11,8 | 8,25 | 8,58 | 7,67 | 7,86

S, г/м31,8 | 1,61 | 0,92 | 0,73 | 2,15 | 1,97

Теплота згоряння, кДж/м3 | 6063 | 5703 | 5909 | 5412 | 5920 | 5623 | Метал: маса, т/доб | 163 | 1268 | 192 | 2103 | 175 | 989 | Вміст, %: Si | 1,0 | Mn | 53,5 | 4,33 | 82,0 | 4,33 | 37,5 | 4,25 | C | 5,0

S | 0,028 | 0,024 | 0,018 | 0,014 | 0,029 | 0,026 | Р | 0,55 | 0,4 | 0,1 | 0,36 | 0,69 | 0,44 | Шлак: маса, т/доб | 1287 | 1333 | 1767 | 1825 | 1162 | 1195 | Вміст, %: CaО | 42,5 | 40,0 | 44,2 | 41,3 | 42,8 | 40,8 | SiО2 | 37,0 | 34,8 | 38,5 | 35,9 | 37,3 | 35,5

Al2O3 | 11,2 | 15,0 | 6,73