Вдувание в горн природного газа и других добавок

При расходе природного газа 70–90 м³/т чугуна расход кокса уменьшился на 10–14% (рисунок 8.2). 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, (8.1)

С+0,5О₂+0,5 × 3,76N₂ ® CO+ 1,88N₂ + 28080 ккал; (8.2)

СН₄+0,5О₂+0,5 × 3,76N₂®CO + 2H₂ + l,88N₂ + 9080 ккал. (8.3)

При вдувании природного газа в горн печи в ходе доменного процесса возникают изменения, вызывающие в свою очередь изменения в результатах работы печи.

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.

Pacход газа, м3/кг

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

Рисунок 8.2 - Зависимость показателей доменного процесса от расхода природного газа

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. При выплавке литейного чугуна расход природного газа и экономия кокса несколько ниже.

Замена углерода кокса углеродом природного газа не равноценна в тепловом отношении. Сравним результирующую реакцию горения углерода метана с реакцией горения углерода кокса:

С+0,5О₂+0,5 × 3,76N₂ ® CO + l,88N₂+28 080 ккал.

Количество тепла, выделяющееся при горении единицы углерода метана в горне доменной печи, в три раза меньше, чем при горении единицы углерода кокса. Разница в тепловых эффектах реакций (8.2 и 8.3) объясняется затратой тепла на разложение метана и численно равна тепловому эффекту этой реакциях.

Сравним количества газов, образующиеся при горении одинаковых количеств углерода кокса и метана. При сгорании единицы углерода кокса получается 2,88 объема газа, а при сгорании единицы углерода метана 4,88 объема, т. е. в 1,7 раза, или на 70%, больше. Па 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 лучший эффект от применения природного газа получили на тех печах, где оказалось возможным наиболее увеличить температуру дутья. По этой же причине содержание влаги в дутье понизили до уровня естественной.

Отрицательной стороной применения природного газа является ухудшение газодинамических условий процесса вследствие увеличения объема горновых газов и снижения газопроницаемости, вызванного уменьшением расхода кокса. Для сохранения условий нормального опускания шихты при вдувании природного газа уменьшают расход дутья, вследствие чего интенсивность хода печи по сжигаемому коксу уменьшается, а понижение расхода кокса не сопровождается соответствующим повышением производительности.

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.

Более успешно применяется жидкое топливо, особенно мазут. Действие его такое же, как и природного газа, с той лишь разницей, что из-за более высокого отношения углерода к водороду в мазуте эффект замены углерода кокса при вдувании мазута больше, а снижение прямого восстановления меньше, чем при вдувании природного газа. 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 требуется повышение нагрева дутья для компенсации затрат тепла на подогрев пыли. Эффект применения пылеугольного топлива зависит от его состава и условий работы печи. При вдувании угольной пыли в количестве 80 кг на 1 т чугуна эквивалент замены составил 1 кг углерода кокса на 1 кг углерода пылеугольного топлива. Производительность увеличилась на 1,5–2%.

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. В некоторых странах для уменьшения абразивного износа узлов системы пылепроводов применяют вдувание угольной пасты, содержащей 30–50% угля и 50–70% мазута. Расход пасты составляет 40–50 кг на 1 т чугуна.