Особенность вдувания пылеугольного топлива

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Замена природного газа и кокса пылеугольным топливом

По результатам расчета влияния расхода природного газа на удельный расчет кокса коэффициент замены кокса природным газом составляет 0,6-0,7.

Коэффициент замены кокса ПУТ рассчитывается по методике ,приведенной в таблице 1.

При его расчете необходимо учитывать, что уголь является источником тепла и газа восстановителя, имеет повышенную зольность и высокое содержание в летучих водорода и метана.

Методика расчета.

В таблице 1 приведена методика расчета и средние значения коэффициента замены кокса углем при содержании летучих 10 % и золы 12 %.

Табл. 1

	Формула	Поправка	С учетом поправки
Теоретический коэффициент замены кокса углем, кг/кг			0,854
Поправка коэффициента замены с учетом затрат на шлакообразующие		0,964	0,823
Поправка коэффициента замены с учетом водорода летучих		1,169	0,962

Здесь - тепловой эквивалент кокса, кДж/(кг кокса на тонну чугуна). Для условий работы доменных печей НТМК составляет 13000-14000.

1. Рассчитывается коэффициент замены по балансу углерода

2. Выполняется корректировка, учитывающая также затраты тепла на шлакообразование, в связи с увеличением количества золы и флюсов, необходимых для ее офлюсования. Снижает коэффициент замены кокса углем.

3. Выполняется корректировка связанная со снижением степени прямого восстановлении при увеличении восстановительных газах содержания водорода. Существенно увеличивает коэффициент замены кокса углем.

5. Суммарный коэффициент замены составляет 0,927

При дальнейших расчетах будем принимать коэффициент замены 0,9, что снижает риски при принятии решений. Принимаем, что при вдувании ПУТ расход природного газа равен 0. Содержание кислорода в дутье не изменяется.

Для расчета изменения удельного расхода кокса предлагается использовать следующее уравнение

.

Результаты расчета приводятся в табл.2.

Таблица 2

Расход ПУТ, кг/т	Расход ПГ, м3/т	Расход кокса, кг/т
0	120	400
125	0	371,5
150	0	349
175	0	326,5
200	0	304

Исключение подачи природного газа приводит к снижению количества Н2, поступающего с дутьем и общего количества газов восстановителей. В тоже время в летучих пылеугольного топлива содержится Н2, СО, СО2 и углеводороды. В зависимости от состава летучих содержание этих компонентов изменяется от 0,6 до 0,8 м3 на 1 % летучих. Зависимость количества газов восстановителей от расхода кокса при полном выводе природного газа и вдувании ПУТ с содержанием летучих 10 % приводится на рис. 1.

Рис.1.

Выполнен расчет требуемого количества ПУТ для сохранения постоянного количества газов восстановителей при содержании летучих 10 % (рис. 2) и 16% (рис.3).

Рис.2

Приведенные на рис. 2 и 3 данные показывают, что при вдувании ПУТ возможно снижение количество газов восстановителей на единицу чугуна. Наибольшее снижение количества восстановительных газов наблюдается при малых расходах ПУТ с низким содержанием летучих. Снижение количества газов восстановителей может сопровождаться повышением прямого восстановления и удельного расхода кокса.

2. Восстановительные процессы в шахте печи

Снижение удельного расхода кокса сопровождается изменением соотношения объемов кокса и рудных материалов в шахте печи. Доля объема шахты печи, занятая рудными материалами увеличивается. Зависимость отношения объема ЖРМ к объему кокса приводится на рис.4.

Изменение отношения объема ЖРМ к объему кокса приведет к увеличению времени пребывания шихты в печи и, следовательно, к увеличению времени пребывания ЖРМ в зоне косвенного восстановления. Следовательно, возможно снижение степени прямого восстановления за счет кинетики восстановления. Зависимость времени пребывания шихты в печи от удельного расхода кокса при разной производительности приводится на рис. 5.

Рис. 5.

Влияние времени пребывания шихты в печи на отклонение показателей использования газового потока от равновесных значений выражается через скорость реакции.

Уравнение скорости реакции выглядит следующим образом:

,

где x - концентрация вещества, xp - равновесная концентрация, k - константа скорости реакции, n - порядок реакции.

Проинтегрируем данное выражение, разделив переменные:

,

,

Получаем формулу, по которой можно определить отклонение концентрации вещества от равновесной:

.

Уравнение (5) решаем в относительных координатах. В этом случае относительное изменение отклонения показателей использования восстановительной энергии газового потока от термодинамического равновесия рассчитывается по уравнению:

,

где фб - время пребывания шихты в печи в период принятый за базовый, час.;

ф - время пребывания шихты в печи в период принятый за проектный, час.

Задача решается в рамках оценки изменения степени использования СО .

.

Зависимость равновесной степени использования СО от температуры пи разных давлениях приводится на рис.6.

Рис. 6

С использованием приведенных на рис. 6 данных рассчитано влияние производительности доменной печи на степень использования СО. Результаты расчета приводятся на рис.7



Рис.7

Анализ производственных данных подтвердил наличие зависимости степени использования СО от производительности печи (Рис.8).

Рис.8.

Время пребывания шихты в печи определяется по уравнению

Объем шихты определяется по уравнению

Здесь, Мжрм- удельный расход ЖРМ, т/т чугуна; -насыпные массы ЖРМ и кокса (соответственно) м3/т.

Учет зависимости времени пребывания шихты в печи от суточной производительности при разном расходе кокса позволяет оценить изменение степени использования СО. Данная зависимость, рассчитанная при производительности доменной печи 6500 т/сутки, приводится на рис. 9. Для условий работы доменных печей НТМК увеличение степени использования СО на 0,01 привадит к снижению удельного расхода кокса на 4,3 кг на тонну чугуна. Можно ожидать, что при вдувании ПУТ будет снижение кокса за счет изменения времени пребывания шихты в печи.

Известно, что скорость химической реакции в системе «газ - твердая фаза» определяется скоростью диффузии газа в порах. Поэтому, наибольший эффект от изменения времени пребывания шихты в печи будет получен при использовании сырья с равномерно распределенной в объеме куска пористостью. Поэтому задача повышения качества рудных материалов становится весьма актуальной.

Кроме того, скорость схода шихты по сечению печи существенно изменяется. Наибольшая скорость движения в осевой зоне печи, а наименьшая в районе рудного гребня.

Рис.9

3. Загрузка шихтовых материалов

Задача оценки влияния изменения удельного расхода кокса на распределение рудной нагрузки по радиусу печи и условия движения газов в шахте решалась методом моделирования с использованием разработанного программного продукта.

Рис.10

Как видно из полученных зависимостей наибольшее изменение рудной нагрузки наблюдается в районе рудного гребня. При этом наблюдается изменение порозности столба шихтовых материалов. Расчетная зависимость изменения порозности приводится на рис. 11.

Рис. 11

Зависимость газопроницаемости слоя от порозности нелинейная. Расчет изменения количества газов по радиусу печи (рис.12) показал, что при снижении удельного расхода кокса возрастает неравномерность распределения потока газов.

Рис.12

Изменение газопроницаемости в верхней зоне печи, особенно в районе рудного гребня приведет к снижению количества газов восстановителей, и, следовательно, к снижению косвенного восстановления.

Наибольшее снижение газопроницаемости наблюдается в районе рудного гребня. Для сохранения прежней газопроницаемости в районе рудного гребня можно использовать два основных технологических мероприятия. Снижение рудной нагрузки или увеличение доли окатышей в районе рудного гребня.

Каждое из этих мероприятий связано с определенными рисками. При снижении рудной нагрузки в районе рудного гребня рудная нагрузка в осевой или периферийной зонах печи непропорционально увеличится.

Расчеты показали, что в районе периферии содержание FeO в первичном шлаке возрастет на 3-6 %. При этом, температура плавления первичного шлака, найденная по диаграмме CaO-SiO2-Al2O3-FeO, снизится на 10-15 оС. Это может сказаться на толщине горнисажа заплечиков, что требуется учитывать при изменении программы загрузки.

Известно, что более 50 % кокса в фурменный очаг поступает из коксовой насадки, расположенной ниже уровня фурм, куда он попадает, в основном, из осевой зоны печи. Поэтому, повышение рудной нагрузки в осевой зоне печи приведет к увеличению времени обновления коксовой насадки. Для сохранения условий фильтрации расплава в горне печи требуется повышение горячей прочности кокса.

Изменение соотношения агломерата и окатышей в районе рудного гребня можно реализовать за счет целенаправленного формирования порции в бункере загрузочного устройства. При этом мероприятии необходимо учитывать тот факт, что затраты тепла на прямое восстановление FeО в окатышах в 1,24 раза выше, чем в агломерате, а затраты тепла на физический нагрев первичного и промежуточного шлака в 1,4 раза ниже. При изменении соотношения агломерата и окатышей произойдет перераспределение потребности тепла в нижней зоне печи.

В качестве еще одного мероприятия можно рассматривать изменение фракционного состава, а именно, отсев фракции -10 мм. и снижение верхнего предела крупности. Это мероприятие можно реализовать с привлечением Качканарского ГОКа.

4. Оценка газодинамического режима в зоне вязкопластичного состояния

Минимальная порозность коксовой насадки в зоне вязкопластичного состояния определяется по уравнению

Зависимость порозности коксовой насадки от удельного расхода кокса представлено на рис.13



Рис.13

Порозность коксовой насадки зависит от диаметра кусков кокса, который, в свою очередь, определяется горячей прочностью кокса. Зависимость удельного газодинамического сопротивления коксовой насадки от горячей прочности кокса, рассчитанного по уравнению

, приводится на рис. 14.

Рис. 14

Разный характер изменения удельного газодинамического сопротивления при удельном расходе кокса 300 и 400 кг на тонну чугуна говорит о том, что при низком удельном расходе кокса изменение его горячей прочности более существенно сказывается на газодинамике нижней зоны печи.

Газодинамическое сопротивление в нижней зоне печи определяется не только зоной с минимальной порозностью, но и зоной фильтрации шлака через коксовую насадку, протяженность которой во много превышает протяженность зоны с минимальной порозностью.

В пределах зоны фильтрации плотность орошения определяется вязкостью шлака. Влияние вязкости шлака на время движения расплава при различной фракции кокса представлено на рисунке 15.

Влияние вязкости шлака на время движения расплава при различной фракции кокса

Рис. 15

1 - d=32 мм, 2 - d=50 мм, 3 - d=70 мм; 4 - d=100 мм

Полученная зависимость показывает, что влияние вязкости наиболее существенно проявляется при мелкой фракции кокса.

5. Разработка математической модели теплообмена в нижней зоне доменной печи

Термодинамический и кинетический анализ поведения оксидов титана в доменной печи показал, что доминирующими факторами является: давления в доменной печи; температурные поля и гранулометрический состав кокса в нижней зоне печи, который определяется его горячей прочностью.

Восстановительные процессы в доменной печи, характеризуемые концентрационными полями тесно связаны с теплообменными. Тепловое состояние печи является одним из основных факторов, определяющих удельный расход кокса, производительность и качество продуктов плавки.

Целью данной разработки является создание инструмента для оценки влияния свойств шлака (вязкость и основность) и характеристик кокса (гранулометрический состав и плотность) на теплообменные процессы, протекающие в нижней части доменной печи и условия образования карбидов титана.

Для решения поставленной задачи разработана математическая модель теплового состояния нижней зоны теплообмена доменной печи. Основа кинетико-математической модели представляет собой систему обыкновенных нелинейных неоднородных дифференциальных уравнений, описывающих температурные поля газа, кокса, шлака и чугуна по высоте печи.

Дифференциальное уравнение для расчета температуры шлака, газа, кокса и чугуна имеют вид:

,

для температуры газа:

,

для температуры кокса:

,

для температуры чугуна:

,

где TШ , TГ , TК , TЧ - температуры шлака, газа, кокса и чугуна, К;

h - высота печи, м;

б?v - коэффициент теплоотдачи, Вт/(м3•К);

S - сечение горна доменной печи, м;

W Ш , W Г , W К , W Ч - теплоемкости шлака, газа, кокса и чугуна, Дж/(кг· К).

При моделировании изменение теплового эффекта реакции восстановления не учитывалось:

,

где - начальный расход оксида железа, кг/с;

q - тепловой эффект реакций восстановления, Дж/кг;

ц - степень восстановления по отнятому кислороду, доли ед.;

Численное интегрирование системы уравнений выполняли методом Рунге-Кутта. Метод применим к решению дифференциальных уравнений высшего (второго и т.д.) порядка, т.к. они могут быть представлены системой дифференциальных уравнений первого порядка.

Адекватность модели проверяли путем сопоставления полученных результатов с данными о работе доменной печи №6 ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат». Для наибольшей согласованности теоретических и практических данных были использованы поправочные коэффициенты. пылеугольный топливо фильтрация расплав

Разработанная методика позволяет анализировать влияние гранулометрического состава кокса, свойств шлака (состава и, соответственно, его основности) на распределение температурных полей газа, кокса, шлака и чугуна по высоте нижней зоны доменной печи.

Пример расчета температурных полей при основности шлака 1,2 и среднем диаметре кусков кокса 15мм приведен на рисунке 16.

Рис. 16. Распределение температурных полей по высоте нижней зоны доменной печи - - - Т газа ---- Т кокса -- -- -- Тшлака -- - -- Т чугуна

Результат моделирования показал, что гранулометрический состав кокса и свойства шлака оказывают значительное влияние на распределение температур шлака по высоте печи и мало сказываются на температуре чугуна.

На рисунке 17 изображено влияние гранулометрического состава кокса на температуры шлака и кокса при температуре вдуваемого газа 2000°С.



Рис. 17. Влияние гранулометрического состава на температуру шлака и кокса в нижней зоне доменной печи

На рисунке 18 показано влияние основности шлака на температуру шлака и кокса при той же температуре газа.

Рис. 18. Влияние основности на температуру шлака и кокса в нижней зоне доменной печи

При снижении доли мелких фракций кокса и уменьшении основности шлака отмечается снижение температуры шлака, что в свою очередь препятствует карбидообразованию.

Образование карбидов титана в доменной печи происходит в результате восстановления оксида титана в области высоких температур:

TiO2 + 3C = TiC + 2CO

Выражение для константы равновесия данной реакции при постоянном давлении в печи (в расчетах оно принято 4,2 атм) имеет вид:

,

где , ,, - активности веществ,

- мольная доля оксида титана,

- коэффициент активности оксида титана,

- давление в печи.

Активность карбида титана, пропорциональную его концентрации, выразим через константу равновесия:

Проанализируем влияние гранулометрического состава кокса и основности шлака на относительную концентрацию карбида титана. Относительная концентрация представляет собой отношение константы равновесия реакции при меняющихся свойствах кокса и шлака к константе равновесия при свойствах кокса и шлака, принятых за базовые.

На рисунке 19 изображено влияние гранулометрического состава кокса на относительную концентрацию карбида титана при постоянной основности шлака 1,2. За базовую была принята фракция кокса 30мм.

Рис. 19. Изменение относительной концентрации карбида титана по высоте нижней зоны доменной печи при разном гранулометрическом составе кокса

На рисунке 5 показано влияние основности шлака на относительную концентрация карбида титана при фракции кокса 15мм. За базовую была принята основность 1,3.

Рис. 19. Изменение относительной концентрации карбида титана по высоте нижней зоны доменной печи при разной основности шлака

Таким образом, крупные фракции кусков кокса и увеличение основности шлака препятствует процессу карбидообразования. Однако известно, что чрезмерное увеличение основности вызывает снижение содержания железа в железорудной части шихты, увеличение вследствие этого удельного выхода шлака и рост удельного расхода кокса. Возрастает вероятность настылеобразования в нижних зонах печи, ухудшается дренажная способность коксовой насадки и загромождение горна.

Полученные результаты подтверждаются работой доменной печи №6 ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» (рисунок 20). С увеличением основности шлака содержание титана в чугуне снижается, следовательно снижается и количество карбидных образований.

Рис. 20. Влияние основности шлака на содержание титана в чугуне

Разработанная математическая модель может быть использована для решения важной, для условий плавки титаномагнетитов, технологической задачи оценки влияния интенсивности плавки на процессы карбидообразования. При этом, важным мероприятием, обеспечивающим повышение производительности доменной печи является обогащение дутья кислородом, что будет сопровождаться повышением температуры газов в фурменном очаге и создание благоприятных условий для восстановления оксидов титана. Фактором, препятствующим восстановлению оксидов титана, является ускорение движения коксовой насадки и сокращение времени пребывания шлака в области высоких температур. Исследование влияния этих факторов является одной из основных задач оптимизации работы доменных печей при вдувании ПУТ.

6. Влияние кислорода

Обогащение дутья кислородом приводит как к повышению температуры горения, так и к снижению теплоемкости потока газов (Wг). В описанной выше модели для расчета температурных полей влияние этой величины отражается через скорость изменения температуры газов. Чем меньше (Wг) тем быстрее газ отдает тепло шихтовым материалам и расплавам. Тем медленнее прогреваются расплавы и кокс. Зависимость (Wг) от содержания кислорода в дутье приводится на рис. 21.

Рис. 21

При вдувании ПУТ происходит снижение (Wг). При этом, чем выше расход ПУТ, тем выше (Wг). Обогащение дутья кислородом приводит к повышению температуры газов на входе в нижнюю ступень теплообмена доменной печи. Зависимость теоретической температуры горения от содержания кислорода в дутье приводится на рис.22.



Рис. 22

Полученные результаты показывают, что при вдувании ПУТ изменения температуры фурменного очага будут более существенны, чем при использовании природного газа.

Теоретическая температура горения определяется температурами кокса и ПУТ, тепловыми эффектами реакций, температурой дутья и объемом продуктов горения. При замене кокса ПУТ углерод, ПУТ приходит в зону горения с температурой транспортирующей среды. Кокс поступает с температурой примерно 1500 оС. Разница температур приводит к тому, что при увеличении расхода ПУТ теоретическая температура горения снижается. Зависимость температуры фурменного очага от расхода ПУТ приводится на рис.23.

Рис. 23

При расходе ПУТ 200 кг на тонну чугуна и содержании кислорода 24 % теоретическая температура фурменного очага примерно равна температуре при вдувании 120 м3 природного газа.

Выводы

1. При вдувании ПУТ следует использовать максимально возможное (определяется по условиям полного его сгорания) количество ПУТ.

2. На восстановительные процессы в шахте печи действуют два противоположно направленных фактора. Наблюдается снижение количества газов восстановителей и увеличение времени пребывания шихты в печи. Влияние снижения количества газов следует учитывать при выборе состава ПУТ. Влияние времени пребывания шихты в печи на восстановительную работу газов следует рассматривать во взаимосвязи с распределением рудной нагрузки по радиусу печи.

3. При вдувании ПУТ возникнет необходимость изменения загрузки шихты. Выбор оптимальной программы загрузки должен решатся с учетом развития как газодинамических, так и восстановительных процессов.

4. В качестве еще одного мероприятия, обеспечивающего эффективное использование ПУТ можно рассматривать изменение фракционного состава, а именно, отсев фракции -10 мм. и снижение верхнего предела крупности. Это мероприятие можно реализовать с привлечением Качканарского ГОКа.

5. При вдувании ПУТ роль горячей прочности (особенно стабильности этого свойства) существенно возрастает. Желательно использовать кокс с горячей прочностью не менее 60%.

6. Влияние вязкости шлака на условия восстановления оксидов титана при вдувании ПУТ существенно возрастает. Следует предъявлять повышенные требования к стабильности состава шлака.

7. Принципиальным вопросом, который необходимо решать при реализации технологии с вдуванием ПУТ является вопрос организации загрузки шихтовых материалов. Необходимо рассматривать два варианта загрузки, а именно, загрузку, обеспечивающую максимальную производительность печи или загрузку, обеспечивающую минимальный расход кокса.

8. Целесообразно выполнить комплекс исследований по выбору предельно допустимого содержания кислорода в дутье.

Размещено на Allbest.ru

...