Спосіб роботи шахтної печі безкоксового одержання металу

Спосіб роботи шахтної печі безкоксового одержання металу, що містить в собі відновлювальнотеплову обробку оксидних матеріалів в шахті, перевантаження їх в плавильне горно, нагрів та довідновлення в горні, що відрізняється тим, що регулювання нагріву матеріалів в горні здійснюють шляхом зміни витрати та температури газу, що генерується в прифурмених реакторах-газифікаторах (фурменого) в залежності від теплопотрібності горна та шахти, а також температур горнового, шахтного, колошникового та охолоджуючого газів на підставі залежностей: Qш ´ (1 - A ) - Vв. , Vф = м3 / т мет. (t ш - t к ) 29841 Прототипом прийнятий відомий спосіб роботи шахтної печі безкоксового одержання металу, що містить в собі відновлювально-теплову обробку оксидних матеріалів в шахті, перевантаження їх в плавильне горно, довідновлення, плавлення та перегрів розплавів в протитоці гарячого відновлювального газу, що генерується в прифурмених газифікаторах горна (Авторське посвідчення СРСР № 1694654 А1 С21В13/00, 1988). Недоліком відомого способу є те, що відсутнє технічне рішення, яке забезпечує ведення технологічного процесу за мінімумом енерговитрат, що веде до перегріву колошника або надлишкового виходу товарного газу. В основу винаходу поставлене завдання удосконалення способу роботи шахтної печі безкоксового одержання металу шляхом управління нагрівом матеріалів в горні та шахті за рахунок зміни кількості та температури фурменого газу, що забезпечить можливість постійного підтримання оптимального теплового режиму при мінімумі енерговитрат. Поставлене завдання вирішується таким чином. На відміну від відомого способу роботи шахтної печі безкоксового одержання металу, що містить в собі відновлювально-теплову обробку оксидних матеріалів в шахті, перевантаження їх в плавильне горно, нагрів та довідновлення в горні, регулювання нагріву матеріалів в горні здійснюють шляхом зміни витрати та температури газу, що генерується в прифурмених реакторах-газифікаторах (фурменого) в залежності від теплопотрібності горна та шахти, а також температур горнового, шахтного, колошникового та охолоджуючого газів на підставі таких залежностей: Vф = Qш ´ (1 - A ) - Vв. , (t ш - tк ) У= , кг / т мет. Vс Визначення в формулах: 3 1 Vф , Vф - витрата фурменого газу, м /т мет; t ф , t 1 - температура фурменого газу, °С; ф Vp - витрата газу, що спрямовується на рециркуляцію, м3/т мет; У - витрата вугілля, кг/т мет.; Qш, Qг - теплопотрібність (кількість тепла, що необхідна для відновлювально-теплової обробки матеріалів), відповідно, в шахті та горні, кДж/т мет.; Vв, Vc - кількість газу, що створюється, відповідно, від прямого відновлення оксидів в горні (м3/т мет.) та при газифікації вугілля в реакторахгазифікаторах (м3/кг вугілля); t ´ c гг - t ш ´ c ш A = гг ; t гг ´ c гг - t х ´ c х tш, tгг, tк, tх, tпгв - температура газу, відповідно, що надходить в шахту, створюється в горні (до введення охолоджувача), на колошнику, охолоджувального, продуктів газифікації вугілля, °С; сф, сш, сгг, сх - теплоємність газу, відповідно, фурменого, що надходить в шахту, горнового та охолоджувального, кДж/м3К. Між суттєвими розпізнавальними .ознаками винаходу та технічним результатом, що досягається, є наступний причинно-наслідковий зв'язок. Для досягнення мінімальних витрат енергоресурсів на процеси в шахтній печі необхідно мати можливість постійного регулювання кількості тепла, що подається в шахту та горно з метою підтримання цієї кількості не менше, але і не більше теплопотрібності, тобто кількості тепла, необхідної для нагріву, відновлювальних процесів, перегріву розплавів та неминучих втрат тепла. Регулювання надходження тепла в горно можливе за рахунок зміни кількості та температури гарячого відновлювального газу, що генерується в прифурмених реакторах-газифікаторах (ПРГ), а надходження тепла в шахту - за рахунок кількості шахтного газу при фіксованій його температурі, що забезпечує збереження сипучого стану матеріалу. Взаємозв'язок вказаних величин визначається балансом тепла в горні, який може бути описаний виразами: м3 / т мет., é ù Qш t ф = êQ г + (1 - A ) ´ t гг ´ c гг ú ¸ ( tш - t к ) ´ c ш ë û ¸ ( Vф ´ c ф ), oC, до того ж, якщо отримана величина tф виявиться більше температури продуктів газифікації вугілля (tпгв), досяжної при заданих параметрах дуття, приймають величину tф1 рівною tпгв, витрату фурменого газу визначають за залежністю: 1 Vф = Qг + Vв ´ t гг ´ c гг t1 ´ c ф - t гг ´ c гг ф 1 Vф Qг=Qф-Qгг – 3 , м / т мет ., Qгг+Qх=Qшг – до введення охолоджувального газу після введення охолоджувального газу (1) (2) Баланс тепла в шахті частину газу Vр = 1 Vф - Vф 1- A , Qш=Vш´(tш-tк)´cш, м3 / т мет. (3) де: Qф, Qгг, Qх, Qшг - тепло газу, відповідно, що генерується в ПРГ (фурменого), що формується в горні (горновий газ), охолоджувального та того, що надходить в шахту. Визначення решти величин наведені вище. направляють в цикл рециркуляції для отримання охолоджувального газу, що подається під купол горна, а мінімальну для даних умов витрату вугілля на процес визначають за залежністю: 2 29841 Оскільки Vф=Vс´У, то кількість вугілля, що газифікується в ПРГ складе Розписуючи складові балансів, отримаємо: Qг=Vф´tф´сф-(Vф+Vв)´tгг´cгг, (Vф+Vв)´tгг´cгг+Vх´cх´tх=Vш´cш´tш. (4) (5) У= Баланс газу: Vш=Vф+Vв+Vх, з чого слідує Vф+Vв=Vш-Vx. Qш . (t ш - t к ) ´ c ш (7) Перетворюючи вираз (5) з використанням (6), отримаємо: t ´ c гг - t ш ´ c ш Vх = Vш ´ гг , t гг ´ c гг - t х ´ c х æ t ´ c гг - t ш ´ c ш Vф = Vш ´ ç1 - гг ç t гг ´ c гг - t х ´ c х è Або визначивши комплекс ö ÷ - Vв ÷ ø 1 Vф = (8) (10) (11) Із виразу (4) з урахуванням (6), (7) та (10) отримаємо t пгв = t1 ´ c ф - t гг ´ c гг ф . (15) 1 Vф - Vф (17) 1- А може бути спрямована поза шахтою на рециркуляцію для отримання більш багатого по CO охолоджувального газу, що скоротить надходження в процес побічного газу. Баланс тепла і газу в цьому випадку складе 1 1 Q1 + Q x = Qшг + Q p ; Vф + Vв + Vх = Vш + Vp , звідгг (12) é ù Qш t ф = êQ г + (1 - A ) ´ t гг ´ c гг ú ¸ ( tш - t к ) ´ c ш ë û ¸ ( Vф ´ c ф ). Qг + Vв ´ c гг ´ t гг Vp = Із виразу (11) з урахуванням (7) отримаємо Qш ´ (1 - A ) - Vв. (t ш - t к ) (14) Надлишкова частина газу "А", запишемо Vф = . Потрібну мінімальну витрату вугілля уточнюють по Vф1: 1 Vф . У1 = (16) Vс (9) t гг ´ c гг - t ш ´ c ш через t гг ´ c гг - t х ´ c х Vх=Vш´А, Vф=Vш´(1-А)-Vв. Vс Проте, в разі, якщо отримана за виразом (13) величина tф виявиться більше температури продуктів газифікації вугілля (tпгв), досяжної при заданих параметрах дуття (температура дуття, вміст кисню, склад вугілля), необхідно визначити витрату фурменого газу Vф1, задавшись температурою tф1, що дорівнює tпгв. Із балансу тепла в горні (4) після перетворювань отримаємо (6) Із виразу (3) слідує Vш = Vф ки, після належних перетворень, отримаємо 1 Vx = ( Vш + Vp ) ´ A . (13) (18) Температура продуктів газифікації вугілля може бути визначена за залежністю (Q у + Vд ´ t д ´ c д - Qшл - Qс - Q дс ) ´ (1 - Z ) VCO ´ c CO + VN2 ´ c N2 + VH2 ´ c H2 + VCO2 ´ c CO2 + VH2O ´ c H2O де: , c д , с CO , с N2 , с H2 , с CO2 , с H2O - теплоємність, Qу - тепло, що виділяється при газифікації вугілля, кДж/кг вугілля; Qшл - кількість тепла на нагрів шлака золи, кДж/кг вугілля; Qc - кількість тепла на нагрів частинок вуглецю, що не згоріли, кДж/кг вугілля; Qдc - кількість тепла на дисоціацію СО2 та Н2О, кДж/кг вугілля; Vд - витрата дуття, м3/кг вугілля; tд - температура дуття, °С; Z - тепловтрати газифікатора у відносних величинах; VCO , VN2 , VH2 , VCO2 , VH2O - кількість створю відповідно, дуття CO, N2, H2, CO2, Н2О, кДж/м3°С. Із наведених співвідношень слідує, що оптимальна витрата газу, що генерується, та його температура можуть бути визначені на підставі теплопотрібності шахти та горна, заданої температури шахтного газу, а також температур охолоджувального та колошникового газів, котрі можуть бути прямо виміряні в ході технологічного процесу. Температура горнового газу tгг прямому вимірянню не піддається, оскільки горновий газ відразу після виходу із шару шихти в горні змішується в підкупольному просторі горна з охолоджуючим газом. Тому нею слід попередньо задаватися, перевіряючи потім tгг або tгг´ сгг за виразом ваних, відповідно, CO, N2, H2, CO2, Н2О, м3/кг вугілля; 3 29841 Гази з горна спрямовуються через газовідводи в колектор, з котрого розводяться по фурмам, розташованим по окружності в нижній частині шахти. Для зниження температури горнового газу до необхідної для вдування в шахту (наприклад, 900°С) до них додається в необхідній кількості охолоджувальний газ, за який використовується колошниковий або газ, що надходить ззовні, або використовуваний в рециркуляційному режимі надлишковий горновий газ, попередньо охолоджений в рекуператорі або скрубері. Витрату та температуру фурменого газу, що забезпечують мінімальну витрату вугілля в даних умовах, визначають за наведеними вище виразами (12)-(15), використовуючи значення температур горнового, колошникового та охолоджуючого газів. Приклади реалізації 1. Задано: cгг=1,45 кДж/м3 К tгг=1200°С cк=1,4 кДж/м3 К tк=350°С cш=1,4 кДж/м3 К tш=900°С cх=1,3 кДж/м3 К tх=50°С cф=1,52 кДж/м3 К 3 Vв=80 м /т Vс=2,5 м3/кг вугілля Qг=1900 МДж/т Qш=1400 МДж/т (при tмо=100°С, tм=850°С), де tмо, tм – відповідно, початкова та кінцева температура матеріалів в шахті. Визначаємо витрату та температуру фурменого газу t гг ´ c гг = ( Vш ´ t ш ´ c ш - Vх ´ t х ´ c х ) ¸ ( Vф + Vв ), (19) яке слідує із виразу (5). Вирази (10) та (18) для Vх можуть бути використані для визначення необхідної витрати охолоджуючого газу для автоматичногопідтримання температури газу, що подається в шахту. Таким чином, суттєві розпізнавальні ознаки запропонованого способу забезпечують досягнення технічного результату, який міститься в тому, що забезпечується можливість постійно по ходу технологічного процесу підгримувати оптимальний тепловий режим горна та шахти при мінімальних енерговитратах. Споживчий результат відіб'ється в скороченні витрат вугілля, а також пропорційних йому витрат дуття та кисню на одиницю металу, що виплавляється. Сутність запропонованого способу складається з того, що для кожних конкретних шихтових умов за відомими методиками (наприклад, Г.Г. Ефіменко и др. // Металургія чавуну. – Київ: Вища школа, 1988. - С. 202-204) визначають теплопотрібність шахти Qш та горна Qг, вихід газу при газифікації вугілля в ПРГ - Vс, вихід газу від прямого відновлення оксидів в горні Vв, прямим вимірянням визначають температури колошникового tк та охолоджуючого tх газів. Задаються температурою горнового газу tгг, потім перевіряють її за виразом (19). За запропонованими залежностями (12) та (13), що забезпечують поєднання теплових та газових балансів шахти та горна, та заданій температурі газу на шахту tш визначають оптимальну витрату Vф та температуру tф фурменого газу. Ця температура повинна підтримуватися не нижче обчисленої за наведеним виразом (13). В цьому випадку величина Vф буде мінімальною, а витрата вугілля У - найменшою. При зниженні tф величини Vф та У зростають. Якщо розрахункова величина tф буде вище температури продуктів газифікації вугілля (tпгв), визначеної для даних умов, то слід прийняти значення tф1 таким, що дорівнює tпгв, і воно дасть мінімальну в цій ситуації величину витрати фурменого газу Vф1 та, відповідно, мінімальну витрату вугілля. При цьому надлишкова (для шахти) кількість газу Vр (17) може бути піддана охолодженню (наприклад? в рекуператорі або скрубері) та спрямована в горно як охолоджуючий газ Vх (рециркуляція), що забезпечить подавання в шахту більш багатого по CO газу та скоротить використання газу ззовні. Спосіб здійснюється таким чином. Шихтові залізовмісні матеріали, що завантажуються на колошник, піддаються відновлювально-тепловій обробці в протитечії гарячого відновлювального газу, що вдувається в нижню частину шахти при температурі, яка забезпечує збереження твердофазного стану матеріалів, наприклад, для агломерату комбінату "Запоріжсталь" - 900°С. За допомогою перевантажувального вузла, наприклад, шнекового, відновлені матеріали перевантажуються в плавильне горно, де в умовах псевдозрідженого шару відбувається їх довідновлення, плавлення та перегрів розплаву за рахунок гарячих відновлювальних газів, що генеруються в прифурмених газифікаторах вугілля. 1200 ´ 1, 45 - 900 ´ 1, 4 = 0 , 286 1200 ´ 1, 45 - 50 ´ 1, 3 1400000 Vф = (1 - 0 , 286 ) = 1218 м 3 / т 900 - 350 1400000 1900000 + (1 - 0 , 286 ) ´ 1200 ´ 1, 45 (900 - 350 ) = = 1218 ´ 1, 52 A= tф = 2246 o С. Це значення близько до значення температури продуктів газифікації вугілля за даних умов. В разі, якщо tф була б отримана менше 2200, наприклад, 2000°С, величина Vф склала б 1900000 + 80 ´ 1, 45 ´ 1200 = 1569 м 3 / т , 2000 ´ 1, 52 - 1, 45 ´ 1200 тобто більше ніж при tф=2246°С. Витрата вугілля при tф=2246°С складе У= =1218/2,5=487 кг/т, а при tф=2000°С У=1569/2,5= 628 кг/т. 2. Задано: cгг=1,45 кДж/м3 К tгг=1300°С cк=1,4 кДж/м3 К tк=350°С cш=1,4 кДж/м3 К tш=900°С cх=1,3 кДж/м3 К tх=50°С cф=1,55 кДж/м3 К 3 Vв=80 м /т Vс=2,5 м3/кг вугілля Qг=1900 МДж/т Qш=1200 МДж/т (при tмо=100°С, tм=850°С), Визначаємо витрату та температуру фурменого газу 1 Vф = 4 29841 1300 ´ 1, 45 - 900 ´ 1, 4 1200000 = 0 , 343 Vф = (1 - 0 , 343 ) - 80 = 944 м 3 / т мет 1300 ´ 1, 45 - 50 ´ 1, 3 900 - 350 ´ 1, 4 1200000 1900000 + (1 - 0 ,343) ´ 1300 ´ 1, 45 (900 - 350) ´ 1, 4 tф = = 2617o С . 944 ´ 1, 55 Це значення tф за даних умов (см., приклад 1) 1900000 + 80 ´ 1, 45 ´ 1300 1 Vф = = 1336 м3 / т мет буде перевищувати досяжну температуру продук2250 ´ 1, 52 - 1300 ´ 1, 45 тів газифікації вугілля, tпгв, яка для даних умов У1=1336/2,5=534 кг/т мет. складає 2250°С. Приймаємо tф1 такою, що дорівВеличина витрат вугілля У1=534 кг/т мет. за 1 нює tпгв, тобто tф = 2250°С. Тоді даних умов та обмеженнях буде мінімальною. Таким чином, вирішується поставлене завдання та досягається технічний результат. A= __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 5