Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКОЙ (ВАРИАНТЫ)
СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКОЙ (ВАРИАНТЫ)

СПОСОБ УПРАВЛЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКОЙ (ВАРИАНТЫ)

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах с вдуванием в горн газообразного топлива. Способ управления доменной плавкой включает вдувание в горн печи газовой смеси, состоящей из природного газа и охладителя-окислителя в виде водяного пара или диоксида углерода, снижение расхода природного газа с одновременной компенсацией этого количества газа водяным паром в объемном отношении 1 : 1,5 с пределами составляющих газовой смеси, об.%: природный газ 18-88, водяной пар 12-82. Как вариант, вместо части природного газа в газовую смесь вводят диоксид углерода в объемном соотношении 1 : 1,25 с пределами составляющих газовой смеси, об.%: природный газ 21-90, диоксид углерода 10-79. При использовании изобретения обеспечивается постоянство температуры горновых газов без снижения температуры горячего дутья при уменьшении доли природного газа в смеси. 2 с.п. ф-лы.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2164534
Класс(ы) патента: C21B5/00
Номер заявки: 2000103690/02
Дата подачи заявки: 15.02.2000
Дата публикации: 27.03.2001
Заявитель(и): Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью с иностранными инвестициями "ДОНИКС" (UA); Складановский Евгений Никифорович (UA)
Автор(ы): Складановский Евгений Никифорович (UA); Иванов Сергей Анатольевич (UA); Макиенко Евгений Владимирович (UA)
Патентообладатель(и): Научно-производственное общество с ограниченной ответственностью с иностранными инвестициями "ДОНИКС" (UA); Складановский Евгений Никифорович (UA)
Описание изобретения: Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано при выплавке чугуна в доменных печах с вдуванием в горн газообразного топлива (природного, коксового газа).
Вдувание газообразного топлива в горн доменных печей началось в конце 50-х годов и быстро получило широкое распространение, оно позволило заменить часть кокса в доменной плавке, значительно увеличить температуру горячего дутья и соответственно также снизить расход кокса. Коэффициент замены кокса природным газом составил 0,6-0,8 кг/м3 ("Доменные печи. Нормативы расхода кокса, "Минмет СССР, Техническое управление, Москва, 1987, c.11).
В то же время исследования показали, что коэффициент замены на ряде печей в разные периоды составляет всего лишь 0,2-0,6 кг/м3, достигая в лучшие периоды 0,7 кг/м3 (Товаровский И.Г. "Совершенствование и оптимизация параметров доменного процесса", М.: "Металлургия", 1987, с. 142-147). Это связано с неполным окислением углерода природного газа в фурменном очаге, частичным пиролизом по реакции CH4 = С + 2H2 - 75 кДж/м3, плохо организованным противотоком в доменной печи.
В современных условиях доменной плавки экономически оправданное использование природного газа в доменной плавке находится на уровне коэффициента замены кокса природным газом 0,8 кг/м3 и выше. С другой стороны, сокращение расхода природного газа приводит к увеличению температуры горновых газов и, как следствие, к необходимости снижения температуры горячего дутья и повышению расхода кокса.
Известен способ ведения доменной плавки, в котором подогрев природного газа перед вводом его в поток нагретого воздуха, обогащенного кислородом, осуществляют добавлением пара с температурой 300-600oС в количестве 10-50% от объема природного газа, после чего смесь вводят в охладитель, где конденсируют и удаляют влагу. На выходе из охладителя температуру природного газа поддерживают в пределах 85-150oC, а влажность не более 25% (Патент Российской Федерации N 2009201, кл. С 21 В 5/00, 1991).
Способ предусматривает предварительный подогрев подаваемого в поток нагретого воздуха природного газа за счет добавления к нему перегретого пара с последующим удалением той части пара, которую удалось конденсировать. Способ не направлен на изменение состава газовой смеси с целью сохранения температуры горнового газа на постоянном уровне. Расход природного газа в газовой смеси поддерживается постоянным и максимально возможным. Цель способа - утилизация тепла пара от системы испарительного охлаждения доменной печи, с соответствующей экономией кокса.
Известен также способ управления доменной плавкой (Патент СССР N 1103799, МПК С 21 В 5/00, 1984) с подачей в горн печи горячей (1500-2800oC) газовой смеси, состоящей из восстановительных и окислительных компонентов, выплавку чугуна с содержанием кремния до 2%, в котором регулирование температуры и состава чугуна осуществляется изменением параметров газовой смеси, в частности ее состава, температуры.
Недостатком способа является то, что газовая смесь - горячий восстановительный газ, содержащий компоненты CO, H2, H2O, CO2 и N2, получают в специальных агрегатах с потерями тепла как при его получении, так и при передаче в доменную печь.
Кроме того, при реализации этого способа (см. примеры конкретного выполнения способа) показано, что в доменной плавке вместо дутья, обогащенного кислородом, вдувают восстановительный газ с изменением его количества и температуры, чем и воздействуют на температуру чугуна и содержание кремния в чугуне, а также на удельный расход кокса. Реализация этого способа не учитывает необходимость регулирования такого важнейшего показателя (параметра) доменной плавки, как постоянство температуры горновых газов.
Наиболее близким к описываемому изобретению по технической сущности является способ управления доменной плавкой, включающий загрузку в печь материалов доменной плавки, вдувание обогащенного кислородом дутья и газовой смеси, содержащей восстановительные (природный и коксовый газ) и окислительные компоненты (кислород, водяной пар, отходящие газы металлургических агрегатов) (Патент Российской Федерации N 2015168, кл. С 21 В 5/00, 1993).
Способ предусматривает изменением расхода газовой смеси и ее состава регулировать температуру чугуна и содержание в нем кремния, титана.
Недостатком способа является то, что изменением состава и расхода газовой смеси не обеспечивается постоянство температуры и объема горновых газов - важнейшего условия производительной и экономичной работы доменной печи - противоточного агрегата. Изменение объема горновых газов вызывает нарушение "ровного схода материалов" с потерей производительности, перерасходом кокса, необходимостью снижения температуры горячего дутья, так как изменение температуры горновых газов только на 27,3oC (t) изменяет их объем на 10%:
V1 = V0 (1+t/273), м3
В то же время изменение расхода природного газа на 1% к расходу дутья, например для печи объемом 1033 м3 с расходом дутья 1850 м3/м, изменяют теоретическую (и реальную) температуру горновых газов на 50oC, изменение содержания кислорода в дутье на 1% - на 38oC, изменение содержания водяного пара в дутье на 1% - на 72oC ("Производство чугуна" Технологическая инструкция ТИ 234-Д- 01-88, Донецк, 1988, с. 43,45,54).
Поэтому варьирование составом и количеством газовой смеси, как это предусмотрено в прототипе с целью регулирования температуры чугуна и содержания в нем кремния, титана, приведет к изменению объема горновых газов на 10, 20, 30 и более процентов, чем в результате нормальная работа доменной печи будет неизбежно нарушаться, а расход кокса увеличиваться.
Кроме того, недостатком способа является и то, что не обеспечивается условие взрывобезопасности газовой смеси при наличии в ней кислорода и монооксида углерода.
В основу предлагаемого изобретения поставлена задача усовершенствования способа управления доменной плавкой путем вдувания в горн печи газовой смеси, состоящей из природного газа и охладителя-окислителя в виде водяного пара или диоксида углерода, что обеспечивает постоянство температуры горновых газов без снижения температуры горячего дутья при снижении доли природного газа в смеси. При этом нужно иметь в виду то, что водяной пар или диоксид углерода являются теми компонентами смеси, которые так же как и природный газ могут в определенном объемном соотношении снижать температуру горновых газов, т.е. компенсировать воздействие природного газа и, в дополнение к этому, быть окислителями по отношению к углеводородам природного газа при совместном их поступлении в зону высоких температур (фурменную зону доменной печи) и за счет реакций конверсии (Рамм А.В. "Современный доменный процесс", Москва, "Металлургия", 1980, с. 259):
CH4+H2O ---> СО+3H2-9211 кДж/м3 CH4 (1)
CH4+CO2---> 2CO+2H2-11053 кДж/м3 CH4 (2)
достигать полного окисления углерода углеводородов с увеличением коэффициента замены кокса природным газом.
В предлагаемом способе управления доменной плавкой загружают в печь шихтовые материалы и кокс, вдувают обогащенное кислородом дутье и газовую смесь, содержащую углеводороды (природный газ) и окислительные компоненты, изменяют количественный состав газовой смеси, при этом изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из природного газа и водяного пара, проводят в объемном соотношении 1:1,5, а газовая смесь имеет состав, об.%:
Природный газ - 18-88
Водяной пар - 12-82
и, как вариант, способ управления доменной плавкой, при котором загружают в печь шихтовые материалы и кокс, вдувают обогащенное кислородом дутье и газовую смесь, содержащую углеводороды (природный газ) и окислительные компоненты, изменяют количественный состав газовой смеси, при этом изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из природного газа и диоксида углерода, проводят в объемном соотношении 1:1,25, а газовая смесь имеет состав, об.%:
Природный газ - 18-88
Диоксид углерода - 12-82
Предложенная совокупность признаков позволяет стабилизировать температуру горновых газов при снижении расхода природного газа в единицу времени за счет изменения состава газовой смеси, подаваемой в фурменную зону с сохранением на максимально возможном уровне температуры горячего дутья (охладительный эффект водяного пара и диоксида углерода) с соответствующей экономией кокса и за счет повышения коэффициента замены кокса природным газом (окислительный эффект водяного пара и диоксида углерода), снижать расход природного газа и кокса на тонну чугуна.
Способ осуществляется следующим образом.
К газопроводу перед коллектором - распределителем природного газа по воздушным фурмам доменной печи подведен паропровод с перегретым паром от заводской системы паропитания (или газопровод с двуокисью углерода) для регулируемой его подачи в поток природного газа. После заданного снижения расхода природного газа и замены его расчетным количеством водяного пара или диоксида углерода, газовая смесь смешивается в газопроводе природного газа и коллекторе-распределителе, находящемся от воздушных фурм печи на расстоянии 10-20 м, чем и обеспечивается полная газификация природного газа без пиролиза углеводородов при поступлении в фурменные очаги печи смеси по реакциям (1) и (2).
При этом могут быть следующие ситуации, объясняющие сущность предлагаемого изобретения и позволяющие обосновать пределы изменения расхода природного газа и охладителя-окислителя в газовой смеси для стабилизации температуры горновых газов, их объема и обеспечения нормального противотока горнового газа и шихты в доменной печи, т.е. "ровной ее работы".
Рассмотрим это на примерах.
Пример1.
Доменная печь N 1 ОАО "ДМЗ" объемом 1033 м3 работает на дутье естественной влажности 8-16 г/м3 (1-2% к расходу дутья) с расходом дутья 1850 м3/мин и расходом природного газа 6000 м3/ч (5,4% к дутью). Содержание кислорода в дутье - 22,5%, температура дутья - 1030oC. Теоретическая температура горения (температура горновых газов), подсчитанная по нижеприведенной формуле:

где tq - температура дутья, oС;
ϕ - влажность дутья, %;
ω - содержание кислорода в дутье, %;
Qп.г.- расход природного газа, в % к дутью;
Qкг - расход коксового газа, в % к дутью;
М - расход мазута, г/м3 дутья;
П - расход пылеугольного топлива, г/м3 дутья составляет 2000oC.
Печь работает ровно, производительно и поэтому считаем, что параметры плавки и теоретическая температура горновых газов являются оптимальными для проплавки привозного агломерата и окатышей в их соотношении 50/50%. Топливо - кокс Донецкого коксохимзавода. Коэффициент замены кокса природным газом составляет 0,7-0,8 кг/м3.
Согласно других источников (Рамм А.В. "Современный доменный процесс", Москва, "Металлургия", 1980, с.226) он может достигать 1,1 кг/м3 и даже 1,3 кг/м3 (Лялюк В.П. "Современные проблемы технологии доменной плавки", Днепропетровск, "Пороги", 1999, с. 47).
Поэтому нижний предел снижения расхода природного газа и замены его водяным паром при обязательном условии эквивалентной температурной компенсации определяем исходя из окислительного эффекта водяного пара в газовой смеси за счет "связанного" кислорода добавляемого водяного пара или диоксида углерода и повышения замены кокса природным газом от 0,7-0,8 до 0,7-1,3 кг/м3, т.е. от или от 12,5 до 46,1%.
Отсюда минимальное содержание пара в газовой смеси для дополнительной газификации природного газа по реакции (1) составляет (основная масса газа окисляется за счет кислорода дутья по реакции
CH4 + 0,5O2 ---> CO + 2H2 - 1591 кДж/м3 CH4):
6000 · 0,125 = 750 м3/ч или
где 0,464 - плотность пара при температуре 200oC, кг/м3.
На разложение и подогрев продуктов разложения такого количества пара до температуры горновых газов требуется повышение нагрева дутья на величину (компенсационный нагрев),oC:

где 1850 - расход дутья на печь, м3/мин;
9 - повышение температуры горячего дутья на каждый 1 г пара в 1 м3 дутья, oC (Ефименко Г.Г. и др. "Металлургия чугуна", "Вища школа", Киев, 1974, с. 282).
Для сохранения температуры горновых газов (теоретической температуры горения) без изменения температуры горячего дутья, требуется уменьшить расход природного газа на величину:

где 0,8 - соотношение температуры горновых газов и температуры горячего дутья, ед. ("Производство чугуна" Технологическая инструкция ТИ 234-Д-01-88, Донецк, 1988, с.45, 46);
45 - изменение температуры горнового газа от изменения расхода природного газа на 1000 м3/ч,oC (там же).
Следовательно, сохранение температуры горновых газов с одновременным повышением коэффициента замены кокса природным газом достигнуто в нашем примере путем снижения расхода природного газа на 500 м3/ч и введением в остальной природный газ, подаваемый в фурмы доменной печи, температурного компенсатора - водяного пара в количестве 750 м3/ч водяного пара, что в объемных процентах равно:
природный газ
водяной пар
с объемным соотношением в изменяемой части газовой смеси природный газ - водяной пар 500 к 750/500 или 1:1,5.
Верхний предел снижения расхода природного газа и замены его водяным паром связан с теми случаями, когда количество природного газа на плавку лимитируется и его расход нужно уменьшать. Экономически целесообразно в этом случае составить и использовать газовую смесь из природного газа и расчетного количества водяного пара с целью сохранения температуры горнового газа без изменения температуры горячего дутья.
Известным является степень увлажнения дутья до 5% (Рамм А.В. "Современный доменный процесс", Москва, "Металлургия", 1980, с. 156). Принимаем, что это количество водяного пара может быть подано в фурменную зону доменной печи вместе с природным газом и вместо его части по условиям температурной компенсации для сохранения температуры горнового газа, их объема.
Исходя из этого, расход водяного пара составит:
1850·60·(40-12) = 3108000 3,11 т/ч,
где 40 - количество пара в увлажненном дутье при его естественной влажности летом 8 г/м3 (5·8 = 40 г/м3);
12 - средняя естественная влажность дутья при колебании лето - зима 8-16 г/м3.
Массовый часовой объемный расход пара составит:

Такое количество пара при подаче его в фурменные очаги доменной печи потребует на разложение и нагрев продуктов разложения тепловой компенсации, равной (40-12) · 9 = 252oC температуры горячего дутья. Для сохранения теоретической температуры горения на прежнем уровне (2000oC) необходимо снизить расход природного газа на величину:

Следовательно, газопаровая смесь будет состоять из (6000-4500) м3/ч природного газа и 6700 м3/ч пара, что в объемных процентах составляет:
природный газ
водяной пар
с тем же соотношением природный газ- водяной пар в изменяемой части газовой смеси: 4500 к 6700/4500 или 1:1,5.
Естественно то, что в нашем примере с увеличением замены природного газа от 5003/ч до 4500 м3/ч водяным паром, окисление остального природного газа газовой смеси будет улучшаться с одновременным увеличением коэффициента замены кокса природным газом с 0,7 до 1,3 кг/м3.
Снижение расхода природного газа на величину менее 500 м3/ч (т.е. более 88% в смеси или более ) нецелесообразно, т.к. это приведет к оперированию расходом пара менее 0,348 т/ч и практически не определяемым увеличением коэффициента замены кокса природным газом.
Снижение расхода природного газа более чем на 4500 м3/ч (т.е. менее 18% в смеси) и замена его водяным паром оказывается также нецелесообразным, т.к. чрезмерное насыщение газовой смеси тяжелым водяным паром приводит к неравномерному распределению компонентов смеси по фурмам, что является крайне нежелательным явлением для работы доменной печи с круглой геометрией горна.
Пример 2.
Доменная печь работает на тех же параметрах и в тех же условиях, что и в примере 1. Отличием является то, что в качестве охладителя - окислителя в поток природного газа подается диоксид углерода (CO2).
Для расчета потребного количества этого реагента, добавляемого к природному газу, принимаются во внимание реакции конверсии природного газа водяным паром и диоксидом углерода (реакции (1) и (2)).
Из уравнения реакций следует, что один объем метана окисляется одним объемом диоксида углерода, тепловые эффекты конверсии метана диоксидом углерода и паром разные, поэтому диоксида углерода "подмешивать" к природному газу нужно будет меньше из-за его более сильного охлаждающего воздействия на величину: 11053/9211=1,20 ед.
Следовательно, газовая смесь будет состоять при условии нижнего предела расхода диоксида углерода:
6000-500 м3/ч (5500 м3ч) природного газа и
750: 1,2 (625 м3/ч) диоксида углерода, что в объемных процентах составляет:
природный газ
диоксид углерода
При условии верхнего предела расхода диоксида углерода газовая смесь в объемных процентах будет состоять:
природный газ
диоксид углерода
с объемным соотношением в изменяемой части газовой смеси природный газ и диоксид углерода, равным 1,5:1,2 = 1,25 ед., т.е. 1:1,25.
Таким образом, изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из природного газа и диоксида углерода, производят в объемном соотношении 1:1,25 и газовая смесь имеет состав, об.%:
Природный газ - 21-90
Диоксид углерода - 10-79
Технико-экономический эффект способа доменной плавки с подачей в фурменные очаги газовой смеси, состоящей из углеводородов и "связанного" кислорода в виде водяного пара или диоксида углерода в соотношениях, обеспечивающих постоянство температуры и объема горновых газов без снижения температуры горячего дутья, заключается в сохранении ровной работы доменной печи и температуры горячего дутья на величину до 250oC по расчету с соответствующей экономией природного газа, кокса и снижении или сохранении стоимости чугуна.
Согласно руководящего документа "Доменные печи, нормативы расхода кокса", Минмет СССР, Техническое управление, Москва, 1987 г. с. 11, сохранение или увеличение каждых 10oC температуры горячего дутья позволяет экономить от 0,5 до 0,3% кокса и повышать производительность печи на 0,5-0,3%. Сокращение расхода природного газа приведет за счет ликвидации пиролиза к увеличению коэффициента замены кокса природным газом (коэффициент полезного действия природного газа в доменной плавке) с 0,6 - 0,8 кг/м3 до 1,0-1,3 кг/м3.
В тех случаях, когда прекращают увлажнять холодное дутье, сохраняется также кладка воздухонагревателей и воздухопроводов горячего дутья, т.к. водяной пар в печь подается через тракт подачи природного газа равномерно во времени вместо тракта холодное дутье - воздухонагреватели - воздухопровод горячего дутья с неравномерным поступлением его на фурмы во времени при повышенных расходах.
Формула изобретения: 1. Способ управления доменной плавкой, включающий загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом дутья и газовой смеси, содержащей углеводороды в виде природного газа и окислительные компоненты в виде водяного пара, изменение количественного состава газовой смеси, отличающийся тем, что изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из 18 - 88 об.% природного газа и 12 - 82 об.% водяного пара, производят в объемном соотношении 1 : 1,5.
2. Способ управления доменной плавкой, включающий загрузку в печь шихтовых материалов и кокса, вдувание обогащенного кислородом дутья и газовой смеси, содержащей углеводороды в виде природного газа и окислительные компоненты в виде диоксида углерода, изменение количественного состава газовой смеси, отличающийся тем, что изменение количественного состава газовой смеси, состоящей из 21 - 90 об.% природного газа и 10 - 79 об.% диоксида углерода, производят в объемном соотношении 1 : 1,25.