CC BY
101
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип. № 18
2008 р.
TEXHI4HI НАУКИ
МЕТАЛУРГ1Я
УДК 669.162.26
Томаш A.A.1, Сущенко A.B.2, Томаш М.А.3
ТРАДИЦИОННЫЕ И НОВЫЕ МЕТОДЫ РАСЧЁТА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ
Различными методами рассчитан тепловой баланс выплавки чугуна для доменной печи № 1 ОАО «МК «Азовсталъ». Ни один из традиционных методов сведения теплового баланса доменной плавки не позволяет объективно определить расход энергии на производство 1 т чугуна. Предложен новый метод расчёта теплового баланса доменной плавки для теплотехнологической системы доменная печь - доменные воздухонагреватели
Производство чугуна из железных руд является весьма энергоёмким процессом. Более половины тепловой энергии, затрачиваемой для получения конечной продукции металлургического производства, приходится на доменную или восстановительную плавку. При этом значительная часть затраченной в доменной печи на выплавку чугуна энергии также используется в кислородно-конверторном процессе при выплавке стали. Химическая энергия растворённых в чугуне углерода и кремния и физический нагрев жидкого чугуна обеспечивают теплом кислородный конвертор, практически исключая использование в нём топлива. В то же время энергетические потребности доменного процесса обеспечиваются относительно высоким расходом дорогостоящих кокса и топливных добавок: природного газа, мазута, угольной пыли. Таким образом, снижение затрат тепла на выплавку 1 т чугуна и, соответственно, расхода топлива значительно снижает себестоимость стали и повышает конкурентоспособность всего металлургического предприятия.
В настоящее время более 80 % железа извлекают из руд в доменных печах. Существует два способа сократить энергопотребление на первой стадии металлургического производства: совершенствование традиционного доменного процесса или поиск менее энергоёмких процессов восстановительной плавки железа. Определённое распространение в современной металлургии получили процессы, альтернативные доменному, «Корекс», «Ромелт» и др. [1, 2]. В любом случае одним из основных критериев выбора способа металлургического производства являются затраты тепловой энергии на выплавку 1 т металла, которые должны быть минимизированы. Данные разных авторов [1 - 4] о затратах тепла на выплавку 1 т чугуна значительно рознятся: от 6 до 26 ГДж. Такие расхождения не могут быть объяснены только различием технологических показателей анализируемых доменных печей. Налицо использование принципиально различных методик определения затрат тепла.
Энергетические затраты на выплавку 1 т металла определяют в ходе расчета теплового баланса доменной плавки. В настоящее время применяют три формы сведения теплового баланса [1,4-6]. Первая, наиболее распространённая форма теплового баланса доменной плавки, форма диссоциаций, предложена Л. Грюнером и основана на условном делении восстановительных реакций на две стадии: диссоциацию оксидов железа и других восстанавливающихся металлов и окисление отделившимся кислородом углерода, СО и водорода. Вторая форма теплового баланса, основанная на анализе тепловых эффектов реально протекающих в доменной
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ПГТУ, канд. техн. наук, доц.
3ПГТУ, студент
печи восстановительных процессов, предложена Р. Окерманом. Третья форма - теплоэнергетическая, составленная Р. Бунзеном, учитывает полные затраты теплоэнергетических ресурсов. Разные способы расчёта теплового баланса приводят к различным выводам об энергоёмкости доменного процесса.
Целью статьи является составление формы теплового баланса, наиболее объективно характеризующей тепловые затраты на выплавку 1 т чугуна в доменной печи, позволяющей сравнивать доменный процесс с другими способами восстановительной плавки железа.
В табл. 1 приведены технологические показатели работы доменной печи № 1 ОАО «МК «Азовсталь» полезным объёмом 1233 м3. В качестве топлива для нагрева дутья в доменных воздухонагревателях использовали только доменный газ. Природный газ к доменному не добавляли. Результаты расчётов всех трёх форм теплового баланса, соответственно I, II и III, для этой доменной печи приведены в табл. 2.
Таблица 1 - Технологические показатели работы доменной печи № 1 ОАО «МК «Азовсталь»
Показатель Значение
1. Производительность, т/сутки 2209
2. Удельный расход кокса, кг/т чугуна 492
3. Расход природного газа, м3/т чугуна 135
4. Температура горячего дутья, °С 991
5. Содержание кислорода в дутье, % 25,63
6. Влажность дутья, % 1,5
7. Расход дутья, м3/т чугуна 1365
8. Состав чугуна, %
81 0,79
Мп 0,68
8 0,024
Р 0,053
С 4,30
9. Содержание железа в железорудной шихте, % 55,87
10. Расход сырого известняка, кг/т чугуна 108
11. Выход шлака, кг/т чугуна 448
12. Температура колошникового газа, °С 279
13. Состав колошникового газа, %
со2 16,58
СО 25,17
Н2 8,76
14. Степень использования СО г|Со = Ю0*СО2/(СО+СО2), % 39,9
15. Выход доменного газа, м3/т чугуна 2062
16. Степень прямого восстановления гс|. % 25,5
Количество тепла, расходуемого на выплавку 1 т чугуна, для разных форм сведения теплового баланса I - III, резко меняется и составляет соответственно 11,3; 5,3 и 20,5 ГДж. Это позволяет по-разному оценивать энергоёмкость доменной плавки в зависимости от целей анализа. Сторонники развития способов восстановительной плавки, альтернативных доменному процессу, обычно ссылаются на III форму теплового баланса, обосновывая высокие затраты энергии в доменной печи. Исследователи, отдающие предпочтение доменному процессу, считают наиболее объективной II форму теплового баланса, дающую наименьшие значения расхода тепла на выплавку 1 т металла.
Таблица 2 - Различные формы сведения теплового баланса выплавки чугуна в доменной печи № 1 ОАО «МК «Азовсталь»
Статьи баланса I II III IV V
МДж/т о/ /О МДж/т о/ /О МДж/т о/ /О МДж/т о/ /О МДж/т о/ /О
Приход
Горение углерода кокса до СО у фурм 3122 27,70 3122 59,10
Горение дутьевой добавки у фурм (пр. газ) 202 1,79 202 3,82
Окисление:
- СО в С02 4027 35,74
- Н2 в Н20 1368 12,14
- углерода прямого восстановления 591 5,24
Полная теплота сгорания кокса 14020 68,33 14020 74,53 14020 74,53
Полная теплота сгорания дутьевой добавки 4539 22,12 4539 24,13 4539 24,13
Энтальпия дутья 1957 17,37 1957 37,04 1957 9,54 249 1,32 249 1,32
Энтальпия шихты 2 0,02 2 0,04 2 0,01 2 0,01 2 0,01
Итого приход 11269 100,00 5283 100,00 20518 100,00 18810 100,00 18810 100,00
Расход
Восстановление 1113 21,07
Диссоциация оксидов 7099 63,00 7099 34,60 7099 37,74 7099 37,74
Разложение карбонатов и гидратов 110 0,98 110 2,08 110 0,54 110 0,58 110 0,58
Испарение влаги шихты и разложение влаги дутья 289 2,56 289 5,47 289 1,41 289 1,54 289 1,54
Энатальпия:
- чугуна 1250 11,09 1250 23,66 1250 6,09 1250 6,65 1250 6,65
- шлака за вычетом теплоты шлакообразования 864 7,67 864 16,35 864 4,21 864 4,59 864 4,59
Неиспользованное тепло
Энтальпия колошникового газа 866 7,68 866 16,39 866 4,22 866 4,60 866 4,60
Внешние потери тепла 791 7,02 791 14,97 791 3,86 791 4,21 791 4,21
Химическая энергия колошникового газа и углерода в чугуне 9249 45,08 7240 38,49 7541 40,09
Энтальпия дымовых газов и потери тепла на ВН 301 1,60
Итого общий расход 11269 100,00 5283 100,00 20518 100,00 18810 100,00 18810 100,00
Несмотря на широкое распространение, I форма сведения баланса тепла не отвечает реальным закономерностям доменного процесса. Разделение реакций восстановления на две стадии является искусственным приёмом для облегчения расчётов. В доменной печи такого разделения не происходит. II форма теплового баланса в наибольшей степени соответствует реальным затратам тепла при выплавке чугуна. В сравнении с балансом диссоциаций во II форме одна расходная статья «Восстановление» заменяет четыре статьи I формы: диссоциация оксидов, окисление СО до С02, Н2 до Н20 и углерода прямого восстановления до СО. Статьи теплового баланса II соответствуют физико-химическим процессам, протекающим в доменной печи. Недостатком второго способа составления теплового баланса является отсутствие учёта дополнительных затрат топлива из-за особенностей доменного процесса. Часть углерода кокса растворяется в металле без окисления и выделения энергии. Из-за достижения термодинамического равновесия реакций восстановления FeO газами невозможно полное окисление до С02 и Н20 углерода и водорода. Коэффициент использования углерода
Кс = 100(еШ2 + gco)/( 6002 + 3,39Qco), (1)
где <2со2 и Qco ~ тепло окисления углерода до С02 и СО, МДж,
для условий доменной печи № 1 ОАО «МК «Азовсталь» составил 64,92 %. Это значит, что более 35 % тепла, которое могло бы выделиться при сгорании израсходованного кокса и природного газа, не было использовано в доменной печи и не учтено во второй форме теплового баланса.
Всё потенциальное тепло, которое могло быть использовано при полном сгорании израсходованного топлива, учитывает теплоэнергетическая III форма сведения теплового баланса доменной плавки. В приходной части баланса III учитывается всё тепло полного сжигания кокса и топливных добавок, а в расходной - дополнительно появляется статья: неиспользованная потенциальная химическая энергия колошникового газа и углерода в чугуне. Теплоэнергетический баланс больше других традиционных форм соответствует реальному расходу топлива и экономическим затратам на выплавку чугуна.
Однако III форма сведения теплового баланса также не позволяет адекватно рассчитать затраты тепла в доменной печи, так как допускает двойной учёт тепла горячего дутья. С одной стороны горячее дутьё вносит 9,54 % тепла в доменную печь. С другой стороны большая часть этого тепла получена при сгорании доменного газа в горелках воздухонагревателей и учтена в расходной статье «Химическая энергия колошникового газа» в разделе «Неиспользованное тепло». Таким образом, расчётная величина затрат тепла оказывается завышенной.
Отмеченных недостатков лишена предлагаемая IV форма теплового баланса доменной плавки (табл. 2), составленная для теплотехнологической системы доменная печь - воздухонагреватели (ДП-ВН). Переход к такой схеме позволяет учесть в балансе использование тепла колошникового газа для нагрева дутья. Приходная часть баланса ДП-ВН включает статьи: полная теплота сгорания кокса и дутьевой добавки, энтальпия дутья и шихты, - учитывающие только внешние по отношению к системе источники тепловой энергии. В отличие от III формы в предлагаемом балансе учитывают энтальпию холодного дутья до его поступления в воздухонагреватель. Заметный приход тепла с холодным дутьём, 249 МДж/т чугуна, обусловлен увеличением температуры воздуха до 130 - 140 °С при нагнетании. При добавлении природного газа к доменному для повышения теплоты сгорания газообразного топлива в горелках воздухонагревателей значение статьи «Полная теплота сгорания дутьевой добавки» должно увеличиться. В рассматриваемом численном примере эта статья остаётся неизменной в сравнении с III формой расчёта, так как на ОАО «МК «Азовсталь» при нагреве насадки воздухонагревателей природный газ к доменному не добавляют. Расходные статьи IV формы теплового баланса совпадают с теплоэнергетическим расчётом: диссоциация оксидов, карбонатов и гидратов, испарение влаги шихты и разложение влаги дутья, энтальпия чугуна, шлака и колошникового газа, внешние потери тепла. В разделе «Неиспользованное тепло» дополнительно появляется расходная статья «Энтальпия дымовых газов и потери тепла на ВН», учитывающая теплоту, уносимую дымовыми газами воздухонагревателей, нагретыми до 150 - 400 °С, и потери тепла воздухонагревателей и горячего дутья на отрезке воздухопровода от клапана горячего дутья до фурм доменной печи. Уменьшается значение расходной статьи «Химическая энергия колошникового газа и углерода в чугуне» с 9,25 до 7,24 ГДж/т чугуна, так как учитывается теплота сгорания не всего отходящего колошникового газа, а только его части, не используемой для нагрева насадки воздухонагревателей. При
этом энтальпия колошникового газа остаётся неизменной, так как тепло всего газа, покидающего доменную печь, безвозвратно теряется в газоочистке. Приход тепла в систему доменная печь - воздухонагреватели на 99,86 % обусловлен расходом топлива. Таким образом, предложенная структура теплового баланса наиболее близко соответствует реальным теплоэнергетическим затратам доменной плавки и даёт наиболее объективный результат расчёта количества необходимого тепла. Расчётное значение общего расхода теплоты на выплавку 1 т чугуна в сравнении с III формой сведения теплового баланса сокращается с 20,5 до 18,8 ГДж/т чугуна.
К такому же результату приводит расчёт теплового баланса доменной плавки без учёта воздухонагревателей, но с поправкой на использование теплоты сгорания колошникового газа для нагрева дутья (форма V). Приход тепла от полного сгорания кокса совпадает в формах IV и V. Энтальпия дутья в V варианте расчёта учитывает тепло нагрева воздуха при сжатии и теплоту, переданную дутью от сжигания природного газа, добавляемого к доменному при нагреве насадки воздухонагревателей. Приход тепла по статье «Энтальпия дутья» в V форме выше, чем в балансе ДП-ВН, на столько, на сколько меньше по статье «Полная теплота сгорания дутьевой добавки». Общий приход теплоты в обоих вариантах составления теплового баланса совпадает. Если для нагрева насадки воздухонагревателей не применяется природный газ, как в рассматриваемом примере, приходная часть баланса V не отличается от IV формы. В расходной части баланса V отсутствует статья «Энтальпия дымовых газов и потери тепла на ВН», характерная только для IV формы. Эти потери тепла вносятся в статью «Химическая энергия колошникового газа», учитывающую всё потенциальное тепло сгорания колошникового газа, не израсходованное непосредственно на нагрев дутья. Остальные расходные статьи теплового баланса совпадают для форм IV и V.
Характеристикой совершенства тепловой работы доменной печи является коэффициент использования тепла (КИТ)
77= 100(1 -&/&). (2)
где Qн и Qi - неиспользованное в доменной печи тепло и общий приход тепла, МДж.
Его значение зависит от выбранной формы теплового баланса и составляет: r|i = 85,30 %; г|п = 68,64 %; г||ц = 46,84 %; r||V = r|v = 51,10 %. При использовании IV и V форм составления теплового баланса КИТ меньше, чем при составлении II формы, так как в разделе «Неиспользованное тепло» присутствуют дополнительные расходные статьи. При этом КИТ в предложенных формах IV и V более полно характеризует тепловую работу печи, так как зависит не только от температуры и количества колошникового газа и потерь тепла в систему охлаждения, но и от развития восстановительных процессов. С увеличением степени использования восстановительной способности газов и развитием косвенного восстановления оксидов железа значения rjiv и г|у возрастают, a r|i и г|п не меняются.
Расход тепла на выплавку 1 т чугуна в доменной печи может быть снижен при переходе к более высоким технологическим параметрам. Так в доменной печи, работающей с температурой дутья 1200 °С, расходом угольной пыли 101 кг/т чугуна, выходом шлака 300 кг/т чугуна и содержанием Si в чугуне 0,5 % [1, 5], расход тепла по I форме теплового баланса составляет 9,6 ГДж/т чугуна, по II форме - 4,2 ГДж/т, по III - 15,9 ГДж/т, по IV и V - 14,7 ГДж/т.
Анализ IV формы теплового баланса показывает, что максимальный эффект в снижении энергоёмкости доменного процесса может быть достигнут за счёт сокращения неиспользованной химической энергии колошникового газа, составляющей 5800 МДж/т чугуна или 30,9 % всего расхода тепла. За счёт улучшения восстановительной работы газов в доменной печи возможно лишь небольшое снижение этой статьи неиспользованной тепловой энергии из-за достижения термодинамического равновесия реакций восстановления FeO. Дожигание колошникового газа в доменной печи не даст положительного эффекта, так как всё выделившееся тепло будет унесено продуктами сгорания. Таким образом, наиболее эффективным представляется использование химической энергии доменного газа непосредственно в доменном производстве во вспомогательных реакторах. Наряду с нагревом дутья химическая энергия доменного газа может быть использована для нагрева природного газа, подаваемого в доменную печь, конверсии углеводородсодержащих добавок, а также повторно в доменной печи после удаления из его состава С02.
Таблица 3 - Расход тепловой энергии на получение 1 т металла в различных реакторах восстановления железа
Процесс Доменная печь Мидрекс Корекс Ромелт
Расход, ГДж/т 14,7-18,8 11,9-12,9 22,5 - 23,3 28,6 - 34,4
Сравнение затрат тепла на производство 1 т металла (табл. 3) в доменной печи по IV форме теплового баланса и в других восстановительных реакторах показывает, что энергоёмкость наиболее известных процессов восстановительной плавки существенно выше, чем доменного процесса. Исключение составляет твердофазное восстановление железа в шахтной печи «Мидрекс» [7]. Однако непосредственное сравнение этих процессов некорректно, так как продуктом «Мидрекса» являются холодные металлизованные окатыши, а максимальная их температура в процессе восстановления не превышает 850 °С. Очевидно, что для получения жидкого чугуна с температурой 1400 - 1450 иС необходимы как минимум в два раза большие затраты тепла. Использование твёрдых металлизованных продуктов потребует значительных затрат энергии при выплавке стали в электропечах, в то время как в конверторной плавке главным образом используется энергия расплавленного чугуна и растворённого в нём углерода. Для объективного сравнения энергоёмкости таких различных процессов необходимо составление тепловых балансов для систем доменная печь - кислородный конвертор и шахтный восстановительный реактор - электросталеплавильная печь.
Выводы
1. Форма теплового баланса доменной плавки, составленного для технологической системы доменная печь - воздухонагреватели, наиболее близко соответствует реальным расходу топлива и экономическим затратам на выплавку 1 т чугуна и позволяет объективно определить количество необходимой тепловой энергии: 14,7 - 18,8 ГДж/т чугуна.
2. Максимальный эффект в снижении энергоёмкости доменного процесса может быть достигнут за счёт сокращения неиспользованной химической энергии колошникового газа, составляющей более 30 % всего расхода тепла. Наряду с повышением температуры дутья химическая энергия доменного газа может быть использована для нагрева природного газа, подаваемого в доменную печь, конверсии углеводородсодержащих добавок, а также повторно в доменной печи после удаления из его состава С02.
3. Энергоёмкость наиболее известных процессов восстановительной плавки существенно выше, чем доменного процесса.
Перечень ссылок
1. Товаровский И. Г. Эволюция доменной плавки I И. Г. Товаровский, В. П. Лялюк. - Днепропетровск.: Пороги, 2001. - 425 с.
2. Романец В.А Процесс жидкофазного восстановления / В.А. Романец, Е.Ф. Вегман, Н.Ф. Са-кир II Известия вузов. Ч.М., 1993. - № 7. - С. 9 - 19.
3. Буторина И.В. Основы устойчивого развития металлургической отрасли / И.В. Буторина. -Донецк: Каштан, 2005. - 332 с.
4. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман, Б.Н. Жеребин, А.Н. Похвиснев и др. - М.: Академкнига, 2004. - 774 с.
5. Товаровский И. Г. Анализ показателей и процессов доменной плавки / И. Г. Товаровский, В.В. Севернюк, В.П. Лялюк. - Днепропетровск.: Пороги, 2000. - 420 с.
6. Рамм А.Н. Определение технических показателей доменной плавки. Метод расчёта и справочные данные / А.Н. Рамм. - Л.: 1971. - 110 с.
7. Развитие бескоксовой металлургии / H.A. Тулин, B.C. Кудрявцев, С.А. Пчёлкин и др. - М.: Металлургия, 1987. - 328 с.
Рецензент: В.А. Маслов д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 05.03.2008
