Баланс элементов переходящих в газ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ26

ВВЕДЕНИЕ

Тепловое состояние доменной печи является одним из основных показателей доменной плавки, определяющим расход топлива на выплавку чугуна, производительность печи и химический состав чугуна. Поэтому оценка изменения теплового состояния доменной печи является одной из основных задач ведения процесса плавки.

Общепринятые способы контроля теплового состояния горна доменной печи основаны на материально-тепловых балансах доменной плавки.

В ходе данной курсовой работы выполнен расчет материально-теплового баланса для условий работы доменной печи 9 «Tyssen Krupp».

Расчет материального и теплового баланса действующей доменной печи позволяет определить следующие величины:

– распределение различных элементов между чугуном, шлаком, колош­никовой пылью и колошниковым газом;

– относительный вес шлака;

– расход дутья на фурмах доменной печи и потери дутья;

– полный выход колошникового газа;

– показатели, характеризующие развитие прямого и косвенного восста­новления;

– количество водорода, переходящего в водяной пар в восстановитель­ных процессах или образующегося в печи при разложении влаги шихты;

– количество тепла, развиваемого в печи, затраты его на различные про­цессы, потери и к.п.д. использование тепла.

Период времени работы доменной печи, охватываемый балансом, должен быть представительным (не менее 3-4 суток), а расчет следует вести: в материальном балансе на 1т, а в тепловом на 1кг годного чугуна. Расход влажных материалов на 1т годного чугуна определяется делением общего количества загруженных материалов на количе­ство выплавленного годного чугуна. Для железоруд­ных материалов необходимо определить степени окисления железа и марганца, а для кокса - элементный состав органической массы и золы кокса. Анализ кокса предварительно пересчитывается с отнесением составных частей органической массы и золы к 100 % сухого кокса. Даются расходы природного газа и ПУТ, их хи­мические составы, а для ПУТ - технический и элементный составы (а также температуры).

В современных условиях доменной плавки, при уже достигнутых на некоторых заводах почти предельных уровнях температуры дутья и содержания железа в применяемых шихтовых материалах, а также при приближающейся к предельным значениям эффективности восстановительных процессов в шахте доменной печи, увеличение расхода вдуваемого дополнительного топлива в фурмы является основным фактором снижения расхода кокса. Наибольшее применение в доменной плавке в настоящее время имеют пылеугольное топливо и природный газ. Жидкое топливо (мазут, смола) применяется на небольшом числе доменных печей.

Совершенствование техники и технологии вдувания пылеугольного топлива привело к достижению стабильных расходов его на уровне 150 – 200 кг/т. На основе результатов многочисленных исследований на доменных печах в настоящее время хорошо известны условия, которые обеспечивают замену до 40 – 45 % кокса вдуваемым пылеугольным топливом. К ним относятся: высокое качество кокса, применяемого в доменной плавке; высокое качество угля, используемого для вдувания в доменную печь; применение специальной техники вдувания, обеспечивающей полноту сжигания угля в фурменной зоне; обогащение дутья кислородом и вдувание кислорода совместно с углем.

При вдувании больших количеств угля уменьшается объемная доля кокса в шихте, что повышает требования к обеспечению газопроницаемости столба шихты в шахте и коксового тотермана в горне. %. Горение ПУТ и замена им кокса неизбежно сопровождается неблагоприятным изменением определяющих параметров плавки Известны варианты компенсации вдувания дополнительнго топлива при условии сохранения неизменной базовой теоретической температуры горения.

1. СТАТИСТИЧЕСКОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ ПРИ ЗАМЕНЕ 20 – 30 % КОКСА ПЫЛЕУГОЛЬНЫМ ТОПЛИВОМ

В последние 20 лет в мире непрерывно расширяется внедрение технологии доменной плавки с заменой части кокса пылеугольным топливом (ПУТ). В XXI веке ПУТ используют уже более 25, как правило, наиболее развитых стран мира, с его применением ежегодно выплавляется около 300 млн. т. чугуна, расход ПУТ на 1 т чугуна достиг 100-260 кг, кокса - 250-350 кг, доля замены кокса ПУТ-30-50%. Горение ПУТ и замена им кокса неизбежно сопровождается неблагоприятным изменением определяющих параметров плавки: сокращением доли кокса в шихте, соответственно ухудшением ее порозности и газопроницаемости, снижением теоретической (и реальной) температуры в фурменной зоне, содержания кислорода в горновом газе по длине фурменной зоны и т.д. Поэтому без применения специальных компенсирующих мер оптимальный расход ПУТ обычно составлял 50 кг/т чугуна. Известны варианты компенсации вдувания дополнительнго топлива при условии сохранения неизменной базовой теоретической температуры горения. Однако при значительных расходе дополнительного топлива и уменьшении расхода кокса наравне с температурным режимом должны компенсироваться условия сгорания ПУТ и нагрева продуктов плавки, газодинамический режим и другие показатели, т.е. компенсация должна быть комплексной.

При оценке комплекса технологических условий, определяющих эффективность применения ПУТ, для характеристики теплового режима горна приняли полученное из уравнения теплового баланса для нижней зоны теплообмена уравнение необходимой теоретической температуры горения.

1.1 Методика обработки данных

Практикой доменного производства установлено, что в большинстве случаев статистические взаимосвязи между расходом кокса и производительностью печи, с одной стороны, и технологическими параметрами плавки, с другой, – имеют экстремальный характер [3, 4]. В связи с этим естественно наличие расхождений фактических и оптимальных значений параметров плавки, определяющих перерасход кокса и снижение производительности печи.

Учитывая возрастающую роль вычислительной техники в анализе и управлении технологическими процессами, что определяется совершенствованием математического обеспечения, систем передачи информации и большой скоростью вычислительных операций, изложенные соображения позволяют сделать вывод о возможности создания системы оптимизации технологического процесса выплавки чугуна.

На основе материальных балансов посменной информации рассчитываются:

– выходы чугуна и шлака, удельные расходы кокса и шихтовых материалов, средние значения химических составов чугуна и шлака и т.д.;

– приведенные к равным условиям удельный расход кокса и производительность доменной печи, приведенные затраты на 1 т чугуна;

– методами статистической обработки и пофакторной раскладкой рассчитываются технологические режимы плавки, исходя из минимизации расхода кокса и себестоимости чугуна.

Для решения поставленных задач разработаны программы предварительной оценки исходных данных, расчета материальных балансов по железу и оксиду кальция и, естественно, производительности печи, выхода шлака и расходных коэффициентов, комплексных технологических показателей, приведения расхода кокса и производительности печи к равным условиям, расчета статистических и построения графических взаимосвязей между рассматриваемыми параметрами.

В качестве единичного опыта рассматривали среднесменные данные и данные выпусков работы доменной печи № 2 ПрАО «Донецксталь» МЗ». Минимальный объем выборки 504 опыта.

Обработка полученных данных проводились при помощи специально разработанного программного обеспечения.

1.2 Анализ работы ДП№2 ПрАО «Донецксталь»-МЗ» в период исследования

Для решения вопроса оптимизации технологии доменной плавки выполнено статистическое исследование работы доменной печи № 2 ПрАО «Донецксталь» за 6 месяцев – ноябрь 2010. –апрель 2011 г.: 504 смены работы печи 1988 выпусков. Показатели работы печи за этот период приведены в таблице 1.

За рассматриваемый период средний расход кокса «Премиум» составил 431 кг/т чугуна и коксового орешка 17 кг/т чугуна. Шихтовыми материалами были окатыши СевГОК офлюс., брикеты РСЦ, абтайлера, брикеты БМ-2, железная руда, присада АМКОМ, железофлюс, металлодобавки и известняк [5]. Средний расход дутья составил 1895 м³/мин, содержание О₂ в дутье поддерживалось приблизительно на уровне 25 %.

Реализация комплекса компенсирующих мероприятий и вдувание на 1 т чугуна 134 кг ПУТ, приготовленного из смеси тощего и газового углей (40: 60 %), позволили полностью вывести из состава дутья природный газ и увеличить суточную производительность на 48 т/сутки. За исследуемый период наблюдаются снижение выхода горновых газов на 36 м³/т чугуна, снижение

Таблица 1 – Показатели работы ДП №2 ПрАО " Донецксталь" -МЗ"

температуры колошниковых газов на 10 °C, снижение степени прямого восстановления железа на 2, 7 % а так же снижение теоретической температуры горения на 74 °C и уменьшение интенсивности плавки по углероду на 80 кг/м³ сутки. Изменение других показателей были минимальны.

1.3 Оптимизация технологии доменной плавки

В период исследования технологии доменной плавки – 01.11.10–30.04.11 г. – доменная печь работала на окатышах СевГОК, коксе «Премиум», с вдуванием на 1 т чугуна 150 – 160 кг ПУТ, приготовленного из смеси тощего и газового углей, без вдувания природного газа (таблица 2).

Из рисунка 3 следует, что оптимальная теоретическая температура горения превышает на 25 °C установившийся уровень. При благоприятных шихтово-технологических условиях сближение фактической температуры горения с оптимальной обеспечит снижение расхода кокса на 5 кг/т, прирост производства на 25 т/сутки, улучшение интенсивности плавки до 1040 кг/(м³ сутки), увеличение степени использования СО до 0, 45, снижение выхода горновых газов и себестоимости чугуна на 45 грн./т чугуна (рисунок 3).

Повышение уровня теоретической температура по сравнению с работой доменной печи с вдуванием природного газа, вполне закономерно, и является необходимым компенсирующим фактором, обеспечивающим интенсификацию газификации ПУТ в печи.

Оптимальные значения основности шлака (CaO/SiO₂) и содержание в чугуне [Si], равные соответственно (1, 15 – 1, 20) и (0, 75 – 0, 85) %, по основности ниже фактических значений на 0, 015, а по содержанию кремния – превышают их на 0, 1 % (рисунок 1 и 2).

Повышение содержания кремния в оптимальных пределах сопровождается снижением расхода кокса (2 кг/т чугуна), суточной производительности на 3 т/сутки и увеличением приведенных затрат на 6 грн./т.

Уменьшение основности в указанных выше пределах влечет за собой снижение себестоимости чугуна.

Статистическими исследованиями показано, что в сложившихся на ПрАО «Донецксталь» - МЗ» технологических условиях существенным резервом работы доменной печи и эффективным компенсирующим фактором является снижение выхода шлака на 1 т чугуна. Оптимальный уровень выхода шлака составляет 310 – 330 кг/т чугуна. Увеличению выхода шлака соответствует повышение расхода кокса на 4 кг/т чугуна.

Таким образом, комплексное приведение основных параметров технологического режима доменной плавки к оптимальным их пределам, указанным выше, влечет за собой снижение расхода кокса (– 10, 7 кг/т чугуна), значительное увеличение производства на 31, 7 т/сутки, снижение содержания серы в чугуне на 0, 0005 % и себестоимости чугуна на 15 грн./т чугуна (таблица 3).

Расчеты показывают, что шихта из окатышей СевГОК и кокс «Премиум» в сочетании с современной его подготовкой к плавке и применением коксового орешка и оптимизация технологии создают резерв для эффективного повышения расхода ПУТ до 200 кг/т чугуна и прироста производительности печи (таблица 3).

Таблица 3 – Эффективность оптимизации параметров доменной плавки

(ПраО «Донецксталь» МЗ»; ДП №2; 1.11.10 – 30.04.11; рис.1, 2, 3 и 4)

1. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНО-ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ДЛЯ УСЛОВИЙ РАБОТЫ ДОМЕННОЙ ПЕЧИ 9 «TYSSEN KRUPP»

1. Количество влаги, внесенной шихтой, и расход сухих материалов на одну тонну чугуна

2. Баланс шлакообразующих оксидов

Относительный вес шлак

((CaO_шихт – CaO_пыли)/(CaO))*100=((108, 85–0, 3137)/0, 408)*100=266 кг/т чугна.

3. Баланс железа

4. Баланс марганца, серы и фосфора

5. Количество углерода, перешедшего в газ из шихты

С_карб=(3/11)*СО_2карб = 0, 35 кг

Осо₂=0, 7273*СО_2карб.=0, 92 кг

6. Количество водорода, азота и оксидов углерода, перешедших в газ из кокса и ПУТ (кг/т чугуна).

7. Характеристики вдуваемых топливных добавок

7 .1 Содержание углерода, нм³/нм³ (нм³/кг)

a. Содержание кислорода, нм³/нм³ (нм³/кг)

b. Содержание водорода, нм³/нм³ (нм³/кг)

c. Содержание азота, нм³/нм³ (нм³/кг)

d. Расход кислорода дутья на горение, нм³ О₂/нм³ (нм³ О₂/кг)

e. Удельный вес газа, кг/нм³

f. Теплотворная способность, 10³ ккал/нм³ (10³ ккал/кг)

7.8 Теплота горения фурм, 10³ ккал/нм³ (10³ ккал/кг)

8. Расход тепла на диссоциацию оксидов

9. Выход колошникового газа и расход дутья

Метод расчета	Расчетные формулы	Результат
Нм3/т чугуна	Кг/т чугуна
Выход сухого колошникового газа
С, О C, N   O, N
Расход сухого дутья
C, O   C, N   O, N
Количество водяного пара, образовавшегося в печи
Количество углерода горючего, сгоревшего у фурм

Баланс элементов переходящих в газ

11. Сводный материальный баланс