Вдувание в горн природного газа и других добавок

 

Природный газ подают в печь через фурмы в зоны горения вместе с нагретым дутьем. Природный газ состоит в основном из метана СН₄ (свыше 90%), остальное – более тяжелые углеводороды состава C_mH_n и незначительные количества (< 1 %) СО₂, N₂ и др. Смешиваясь с дутьем в фурме и в кислородной зоне, природный газ более или менее полно сгорает по реакциям

 

СН₄®С + 2Н₂ -19000 ккал, (101)

С+0,5О₂+0,5 × 3,76N₂ ® CO+ 1,88N₂ + 28080ккал; (102)

СН₄+0,5О₂+0,5 × 3,76N₂®CO + 2H₂ + l,88N₂ + 9080 ккал. (103)

 

При вдувании природного газа в горн печи в ходе доменного процесса возникают изменения, вызывающие в свою очередь изменения в результатах работы печи (см. рисунок 37).

 

Pacход газа, м³/кг углерода

 

а – степень ПВ; б – относительный расход кокса; в – интенсивность горения кокса

 

Рисунок 37 - Зависимость показателей доменного процесса от расхода природного газа

 

Экономия кокса при вдувании природного газа достигается за счет: 1) увеличения НВ и уменьшения ПВ; 2) замены части углерода кокса углеродом природного газа и 3) уменьшения: прихода серы в печь, основности и выхода шлака вследствие уменьшения расхода кокса, вызываемого первыми двумя факторами.

Наибольшая доля в экономии кокса получается от увеличения НВ за счет восстановительной работы водорода, образующегося из природного газа в горне.

Увеличение расхода природного газа до 0,4 м³ на 1 кг сгорающего у фурм углерода (100–120 м³/т чугуна) уменьшает степень ПВ с 0,55 до 0,27–0,29. В соответствии с изменением степени прямого восстановления изменяется и относительный расход кокса.

Расход природного газа при выплавке передельного чугуна в зависимости от условий работы печей составляет от 60 до 130 м³ на 1 т чугуна. Относительный расход кокса сокращается на 10–14%. Эквивалент замены кокса природным газом составляет от 0,8 до 1,5 кг на 1 м³ газа, составляя обычно 0,9–1,1 кг/м³ газа.

Замена углерода кокса углеродом природного газа не равноценна в тепловом отношении. При замене кокса природным газом из-за затрат тепла на разложение метана температура в фурменном очаге и горне печи понижается. При этом в результате сгорания углеводородов образуется больше горновых газов, чем при горении углерода кокса. На нагрев большего количества газа до температуры в зоне горения потребуется соответственно и больше тепла. Если учесть, что приход тепла в горн от горения единицы метана в три раза меньше, а количество образующегося газа на 70% больше, чем при горении единицы углерода кокса, то станет ясно, что с применением природного газа температура горна значительно понижается. Понижению температуры в горне способствует также и то, что кокс приходит в зону горения нагретым до 1400–1500 °С, а природный газ вдувается холодным. Кроме того, при вдувании природного газа для сохранения оптимального газодинамического режима приходится уменьшать количество дутья, подаваемое в единицу времени в горн печи, а следовательно, уменьшать вносимое им количество тепла.

Компенсировать понижение температуры в горне можно увеличением нагрева дутья, уменьшением содержания влаги в нем или обогащением дутья кислородом. Для поддержания нормального нагрева горна температура дутья должна быть увеличена из расчета 4 град на каждый 1 м³ вдуваемого природного газа на 1 т чугуна. Если не компенсировать понижение температуры горна, то возможная при вдувании природного газа экономия кокса будет меньшей или ее может не быть вовсе. Поэтому наибольший эффект от применения природного газа получают при условии повышения температуры дутья и одновременном обогащении дутья кислородом, то есть при применении так называемого комбинированного дутья.

В качестве добавок к дутью с целью экономии дорогостоящего кокса вдувают в печь коксовый газ, мазут, угольную пыль и угольную суспензию, состоящую из мазута и измельченного малосернистого угля.

Вдувание в печь газообразных и жидких углеводородов вызывает изменения в ходе доменного процесса и показателях работы, аналогичные изменениям при вдувании природного газа, с той лишь разницей, что эти изменения могут быть больше или меньше – в зависимости от состава углеводородов.

Вдувание мазута в количестве 30–35 кг на 1 т чугуна сокращает расход кокса на 8–16% и повышает производительность печи на 2–9%. Эквивалент замены кокса мазутом составляет 1,4–1,6 кг на 1 кг мазута.

Вдувание измельченного угля в зону горения позволяет частично использовать некоксующиеся угли и сократить расход кокса. При вдувании угольной пыли в количестве до 100 кг на 1 т чугуна, достигается снижение расхода кокса на 90-100 кг/т при увеличении производительности на 1,5–2%. Однако вдувание угольной пыли требует больших капитальных и эксплуатационных затрат на измельчение угля и транспортировку пыли. Большие затруднения при использовании этого вида топлива возникают вследствие абразивного действия пыли на систему пылепроводов.

Комбинированное дутье

 

Комбинированным называется высокотемпературное дутье с добавками окислителей (кислород, водяной пар) и восстановителей (природный газ, коксовый газ, мазут, пылеугольное топливо и др.). Наибольшее распространение получило сочетание обогащения дутья кислородом с природным газом.

Положительный эффект при вдувании природного газа состоит в значительном сокращении расхода кокса, а при обогащении дутья кислородом – в увеличении производительности печи. Но достижение возможного эффекта при вдувании природного газа ограничивается его отрицательными сторонами – увеличением количества горнового газа с понижением температуры в горне, а достижение возможного эффекта обогащенного кислородом дутья ограничивается, наоборот, чрезмерным увеличением температуры в горне. При этом объем горнового газа уменьшается. Совместное же применение этих двух интенсификаторов позволяет усилить положительный эффект каждого из них и взаимно компенсировать свойственные им недостатки.

Таким образом, наибольший эффект дает совместное использование таких добавок к дутью, которые оказывают на доменный процесс противоположное действие.

Для сохранения нормальных условий работы печи при комбинированном дутье на каждый 1 м³ вдуваемого природного газа содержание кислорода в дутье должно быть повышено на 1,3–1,7 м³, а расход дутья уменьшен на 3,8 м³

Увеличение содержания кислорода в дутье с 21 до 30% и расхода природного газа с 80 до 140 м³ на 1 т чугуна позволит увеличить производительность печи на 18-20% при сокращении расхода кокса на 50-60 кг/т чугуна. Увеличение содержания кислорода в дутье до 30–32% и расхода природного газа до 130–180 м³ на 1 т чугуна позволит еще больше увеличить производительность доменной печи и снизить относительный расход кокса.

 

Повышенное давление газа

 

Положительное действие повышенного давления проявляется не в улучшении восстановительной способности газов, а в улучшении газодинамического режима доменной печи, при котором возможно значительное повышение производительности и снижение расхода кокса. С увеличением давления уменьшаются объем газа и его скорость, вследствие чего уменьшаются подъемная сила газа и перепад давления газа между горном и колошником.

Перепад давления газа в слое материалов уменьшается с понижением скорости потока газов согласно уравнению

(104)

 

Это позволяет увеличивать массовое количество дутья, не превышая его критического объема, т. е. интенсифицировать ход печи.

Преимущества повышенного давления можно использовать и для уменьшения расхода кокса, если допустимое значение перепада давления газа между горном и колошником достигать не только увеличением количества дутья, но и некоторым повышением температуры дутья. Кроме того, снижению расхода кокса способствует улучшение распределения газового потока. Наконец, при повышении давления газов уменьшается (на 20–30%) вынос колошниковой пыли вследствие уменьшения скорости колошникового газа.

Степень повышения давления газов в рабочем пространстве доменной печи определяется величиной избыточного давления газов на колошнике. В основном печи работают с избыточным давлением газа на колошнике 1–1,3 ат. Повышение давления газа на каждые 0,1 ат в диапазоне 1-2 ати позволяет повысить производительность на 1% при снижении расхода кокса на 0,2%.