Перспектива изменения газового баланса

ПЕРСПЕКТИВА ИЗМЕНЕНИЯ ГАЗОВОГО БАЛАНСА

Поскольку наблюдается дальнейшая тенденция  к улучшению показателей доменной плавки и снижению расхода кокса  в доменном производстве, следует  ожидать, что ресурсы доменного  и коксового газа на 1 т производимого  чугуна будут продолжать снижаться и все более будет возрастать дефицит в газообразном топливе на заводе. Так, по ориентировочным подсчетам, при отсутствии на заводе производства товарного чугуна и кокса и обеспечении необходимого буферного сброса газа под котлы дефицит газа в зависимости от состава завода может составлять в перспективе до 60% от потребности в топливе для технических нужд.

В соответствии с намечаемым дальнейшим развитием добычи природного газа для  большинства металлургических заводов  можно рассчитывать на возможность  покрытия дефицита в газообразном топливе  природным газом. Природный газ  еще в больших масштабах будет  применяться также в доменном производстве для экономии кокса. Если в настоящее время для большинства  металлургических заводов применение природного газа при производстве чугуна находится в пределах 60—120 м⁵/т, то в перспективе при повышении температуры дутья, увеличении обогащения дутья кислородом и возможности получения природного газа в большем объеме потребление природного газа может возрасти до 150— 180 м³/т чугуна. Возрастет потребление природного газа и в энергетических установках.

Таким образом, удельный вес природного газа в газовых балансах как на отдельных металлургических заводах, так и в черной металлургии в целом будет все более возрастать. Если в настоящее время доля природного газа в балансах газа заводов черной металлургии составляет около 40%, то совершенно естественно, что в перспективе природный газ на металлургических заводах будет доминирующим видом газообразного и вообще любого вида топлива. Поэтому правильному и наиболее целесообразному использованию природного газа необходимо уделить должное внимание. Необходим и иной подход, к распределению и использованию имеющихся ресурсов доменного и коксового газов.

На  вновь проектируемых заводах  и при проектировании новых коксовых батарей на действующих заводах, получающих природный газ, необходимо отказаться от обогрева коксовых батарей  доменным газом и обогревать их собственным  коксовым газом, если применение для  обогрева коксовых батарей доменного  газа не вызывается требованиями и  особенностями газового баланса  предприятия.

Предпринятый  в свое время перевод коксовых батарей на обогрев доменным газом, несмотря на усложнение коксовых батарей  и увеличение расхода топлива, был  прогрессивным явлением, так как  позволял высвободить коксовый газ  для более, квалифицированного использования  в металлургическом производстве, которому требовался высококалорийный газ как по условиям организации высокотемпературных металлургических процессов, так и по условиям более полного и квалифицированного использования низкокалорийного доменного газа. В настоящее время в связи с поступлением на металлургические заводы значительных количеств высококалорийного природного газа такая необходимость отпала.

Товарные  ресурсы коксового газа необходимо использовать на металлургическом заводе при сжигании коксового газа как в чистом виде, так и в смеси с доменным. При распределении ресурсов коксового газа на металлургическом заводе необходимо, прежде всего, отдавать предпочтение потребителям, предъявляющим повышенные требования к бесперебойному газоснабжению, так как надежность бесперебойного газоснабжения коксовым газом на металлургических заводах в ряде случаев может быть выше, чем природным, а затем технологическим потребителям, наиболее близко расположенным к источникам и сетям коксового газа.

Для повышения надежности газоснабжения  и возможности покрытия максимальных расходов часть коксового газа (10—15% от его общего выхода) должна сжигаться  под котлами ТЭЦ и ПВС в  порядке буферного использования.

При распределении ресурсов доменного  газа на заводах, имеющих природный  газ, необходимо также всемерно сокращать  количество потребителей доменного  газа и протяженность сетей для  него. Распределение доменного газа на новых заводах целесообразно ограничивать удовлетворением потребности воздухонагревателей самих доменных печей, паровоздуходувной станции и небольшого количества технологических потребителей, которые по условиям технологического процесса или не допускают пользования одним высококалорийным газом (некоторые потребители огнеупорного производства и др.), или предъявляют повышенные требования к бесперебойности газоснабжения (печи термообработки, колпаковые печи), которым в отдельных случаях не может удовлетворять природный газ.

Использование доменного газа предполагается как  в чистом виде, так и в смеси  с коксовым или природным газом. Кроме того, определенная часть доменного  газа, равная выходу газа из наибольшей доменной печи на заводе, должна сжигаться  у буферных потребителей, позволяющих  изменять потребление доменного  газа в зависимости от состояния  и хода доменных печей.

Наряду  с полным использованием имеющихся  ресурсов доменного и коксового  газов в перспективе по мере освоения необходимо также предусматривать  в газовых балансах использование  конвертерного газа при работе кислородных  конвертеров по схеме без дожигания  газов. Конвертерный газ целесообразно  собирать в газгольдер, подвергать дополнительной очистке и газовыми нагнетателями подавать в газопроводы  доменного газа (на участках со значительным расходом). Необходимо также изыскивать и изучать пути более квалифицированного и целесообразного использования ферросплавного газа с высоким содержанием окиси углерода.

Имеются предложения по замене природного газа, вдуваемого в горн доменных печей, коксовым или обогащенным доменным газом (после отделения от него балластных газов), что приведет к резкому  изменению ресурсов газообразного  топлива на заводе.

Сжиженный углеводородный газ (пропан-бутан) для  районов, где в ближайшее время  не предполагается подача природного газа, наравне с мазутом будет  находить все большее применение.

Представленные  выше соображения по изменению газового баланса и покрытию дефицита в  газообразном топливе относятся  в основном к вновь проектируемым  заводам, работа которых предусматривается  с широким применением природного газа. Ряд высказанных положений  и рекомендаций справедлив также  для нового строительства на действующих  заводах.

На  металлургических заводах, где схема  газоснабжения построена на других принципах, использование представленных рекомендаций в полной мере на ближайшие  годы не представляется возможным. Однако и здесь необходимо использовать изложенные основные принципы наиболее экономичного распределения горючего газа, получаемого металлургическим заводом.

Доменная  печь является непрерывно работающим плавильным агрегатом шахтного типа. Сверху в нее загружают железорудные материалы, кокс и отводят образующиеся газы, а снизу через фурмы подают горячий воздух и через летки выпускают жидкие продукты плавки — чугун и шлак. Внутренний объем печи, ограниченный огнеупорной кирпичной кладкой (футеровкой), обычно называют полезным объемом. Наиболее крупные доменные печи имеют полезный объем более 5000 м3 и их производительность достигает 12000 т чугуна в сутки, т. е. ежеминутно выплавляется около 9 т чугуна. 
Общий вид и разрез современной доменной печи показан на рис.

 
Внутреннее очертание  вертикального разреза рабочего пространства печи называют ее профилем, в котором различают колошник, шахту, распар, заплечики и горн (рис. 7). Профиль выбирают таким, чтобы  в печи происходило равномерное  опускание загруженных материалов и равномерное распределение  по горизонтальному сечению печи поднимающихся снизу газов. 
Ниже колошника расположена шахта, расширение которой книзу позволяет материалам свободно опускаться вниз. Заплечики, наоборот, имеют сужающуюся книзу конусообразную форму, обусловленную тем, что в них происходит уменьшение объема материалов в связи с образованием жидких продуктов плавки и выгоранием кокса. Между шахтой и заплечиками находится наиболее широкая цилиндрическая часть — распар. 
Фундамент печи. Масса доменной печи вместе с находящимися в ней материалами может достигать 30 тыс. т. Для равномерного распределения давления такой массы на грунт подземную часть фундамента (подошву) делают в виде восьмиугольной железобетонной плиты толщиной до 4 м, а надземную часть (пень) — из жароупорного бетона. На подошву фундамента опираются стальные колонны, которые поддерживают стальное кольцо, опоясывающее доменную печь. Это кольцо называется мараторным. Оно воспринимает нагрузку металлических конструкций печи. 
Лещадь и горн. Над фундаментом печи расположена лещадь толщиной до 5,5 м (рис. 8). Нижнюю часть лещади выкладывают из графитированных углеродистых блоков, наружную — из углеродистых блоков, а центральную из высокоглиноземистого кирпича. Нижняя часть горна от лещади до леток служит для накопления чугуна и шлака. Кладка лещади и горна заключена в плитовые чугунные холодильники, в которых по трубам циркулирует вода. Между лещадью и пнем обычно помещают металлические плиты с пазами для воздушного охлаждения. Металлические холодильники и футеровку снаружи охватывает стальной кожух из листа толщиной 40—50 мм. Между кладкой и холодильниками оставляют зазор 100—120 мм, плотно заполняемый углеродистой массой.

 
В горне расположены летки для  выпуска чугуна и шлака. Современная  доменная печь имеет от одной до четырех расположенных выше лещади на 600—1800 мм чугунных леток, через которые 6—8 раз в сутки выпускают накопленный  в горне чугун, с которым сходит и часть шлака. Выше уровня чугунных леток на 1400—2000 мм расположены шлаковые летки (одна или две), предназначенные  для выпуска так называемого  «верхнего» шлака. Ось шлаковой летки  располагают под углом 45—60° по отношению к оси чугунной летки  и обрамляют водоохлаждаемой арматурой, называемой шлаковым прибором, который помещают в проем горновых плитовых холодильников и крепят к кожуху печи. Если шлаковых леток две, то вторую располагают под углом 60—90° к первой. Шлаковые отверстия закрывают металлической пробкой при помощи стопорного устройства. В крупных печах выпуск всего шлака обычно осуществляют вместе с чугуном через одну и ту же летку. 
Фурмы. По окружности верхней части горна с равными промежутками расположено от 18 до 42 фурм для подачи в печь нагретого до 1100—1300°С воздуха. Полный набор устройств для подвода воздушного дутья в горн из кольцевого воздухопровода называют фурменным прибором (рис. 9), который состоит из медной водоохлаждаемой фурмы с внутренним диаметром до 200 мм, закрепленной в холодильниках и выступающей внутрь печи из кладки на 300 мм.

Колошниковое устройство представляет собой систему механизмов, предназначенных для загрузки в  печь шихты, отвода из нее газов и  проведения монтажных работ. Основной частью устройства является засыпной аппарат (рис. 10), который состоит  из приемной воронки, малого конуса, вращающегося распределителя шихты, большого конуса и газового затвора. Материалы подают на колошник при помощи двух тележек  — скипов, движущихся по наклонному мосту. Когда один нагруженный скип поднимается вверх, второй пустой скип опускается. При подходе к засыпному  аппарату скип опрокидывается и материал высыпается в приемную воронку на поверхность малого конуса. Поскольку на малый конус материал поступает всегда со стороны наклонного моста, это приводит к неравномерному его распределению на малом конусе. При опускании малого конуса шихта ссыпается на большой конус и при опускании большого конуса шихта ссыпается на колошник доменной печи. С помощью вращающегося распределителя приемная воронка вместе с малым конусом и порцией шихты каждый раз поворачивают на 60°. Это позволяет набрать и равномерно распределить по поверхности большого конуса порцию шихты за 5—6 опусканий малого конуса. Таким образом достигается равномерное распределение шихты по горизонтальному сечению колошника после опускания большого конуса. Наличие двух, поочередно опускающихся конусов, устраняет прорыв газа из печи в окружающее пространство. 
Существуют засыпные аппараты, состоящие из приемной воронки, в которую шихта подается с транспортерной ленты. Далее материалы поступают в два промежуточных бункера с герметическими затворами и во вращающийся распределитель шихты. В этом случае вместо большого конуса применено более сложное устройство (рис. 11). Такая загрузка применяется на сверхмощных печах.

 
Из  купольной части колошника газ  отводят с помощью четырех  футерованных кирпичом газоходов, которые  сначала соединяются попарно, а  затем в один общий газоход, опускающийся к пылеуловителям. Для выпуска  газа в атмосферу при остановках печи в верхних точках газоотводов располагают атмосферные клапаны, открываемые с помощью электрической лебедки. 
Охлаждение печи. Система охлаждения доменной печи предотвращает преждевременный износ и разрушение кирпичной кладки и деталей, работающих в зонах высоких температур. При водяном охлаждении используют холодную техническую воду, а при испарительном — химически очищенную, что предотвращает коррозию труб и образование на их внутренних стенках накипи. В первом случае в холодильники нижней (заплечики, горн, лещадь) и верхней (распар, шахта) зон подают воду с напором 0,5 и 0,8 МПа. Фурмы постоянно охлаждаются водой под давлением на 0,5 МПа больше, чем давление газа в печи. При испарительном охлаждении используют скрытую теплоту парообразования воды в холодильниках лещади и горна.

Процессы в горне ДП

Подаваемое через фурмы  горячее дутье участвует в  процессах сжигания углерода кокса, углеводородов природного газа, мазута и окисления составных частей чугуна. Струя нагретого до 1100—1300°С воздуха обладает высокой кинетической энергией и вызывает циркуляцию кусков кокса, который горит во взвешенном состоянии. При его сгорании развиваются температуры до 2000°С. Здесь располагается так называемая окислительная зона (до 1800 мм), характеризуемая наличием свободного кислорода и больших количеств диоксида углерода. 
Горение углерода кокса происходит за счет кислорода воздуха по реакции: С+O2=СO2+393,5 кДж. 
По мере удаления от фурм в условиях высоких температур и избытка углерода начинает развиваться реакция СO2+С=2СO—171,5 кДж. 
Суммарную реакцию горения углерода кокса и образования СО, который является восстановителем, можно представить уравнением: 2С+O2=2CO+221,0 кДж. 
Азот воздушного дутья (около 79%) в реакциях горения не участвует и полностью переходит в горновой газ. При использовании сухого воздушного дутья горновой газ за пределами окислительной зоны содержит примерно 35% СО и 65% N2. Его состав изменяется при обогащении дутья кислородом. Так, например, при увеличении в дутье содержания кислорода от обычных 21% до 30% газ будет содержать 46% СО и 54% N2. 
При искусственном увлажнении дутья до 3—4% происходит разложение влаги углеродом по реакции: Н2O+С=Н2+СО—131,3 кДж и содержание водорода в газах достигает 2—3%. 
При вдувании в горн природного газа в доменном газе увеличивается содержание Н2 и СО, но при этом в фурменной зоне не повышается температура, так как образующиеся при их сгорании Н2O и СO2 в дальнейшем разлагаются углеродом кокса с поглощением тепла. 
Средний состав покидающих горн газов, %: 35—45 СО; 1—12 Н2 и 45—64 N2, а температура 1600°С. 
Горячий газ быстро поднимается навстречу шихтовым материалам и отдает им свое тепло, при этом СО и Н2 расходуются на восстановление оксидов, превращаясь в СO2 и Н2O. Выходящий из печи колошниковый газ имеет температуру 200—400°С и содержит примерно 20—30% СО; 2—8% Н2; 18% СO2; 0,2—0,5% СН4 и до 60% N2. 
Применение комбинированного дутья, которое включает в себя окислители (кислород) и восстановители (природный и коксовый газы, мазут) обеспечивает экономию дорогостоящего кокса и повышение производительности печи.