Снижение энергопотребления и использование отходящего тепла

Категория:
Выплавка чугуна


Снижение энергопотребления и использование отходящего тепла

Расход энергии в доменном производстве составляет — 70% от расхода первичных энергоносителей на заводе с полным циклом, поэтому снижение энергопотребления при выплавке чугуна является одной из актуальных задач. Основным энергоносителем в доменной плавке является топливо. В то же время значительные затраты энергии связаны с высокой электровооруженностью производства, а также расходом электроэнергии на производство доменного дутья и технологического кислорода. В ряде стран применение кислорода в доменной плаве сдерживается из-за увеличения энергопотребления и высокой стоимостью его получения. В настоящее время экономии энергии на выплавку чугуна достигают двумя путями; изысканием возможностей максимального снижения расхода топлива и более полного использования вторичных энергоресурсов.

Согласно выполненным в последннее время тепловым балансам по теплотехнической схеме, из общего количества поступающего в печь тепла — 50% расходуется на протекание металлургических процессов, остальное тепло теряется в виде внешних потерь (охлаждение, излучение и др.) и перешедшего в чугун углерода, а большая часть его уносится с колошниковым газом.

Из приведенных данных видно, что полезный расход тепла на диссоциацию оксидов и испарение влаги, а также на нагрев чугуна и шлака составляет 49,8%. Более одной трети всего тепла (39,1%) уносится с колошниковым газом. Значительная часть тепла теряетсяяз-за науглероживания чугуна (8,4%).

Следует отменить, что полезным является расход тепла на физический нагрев продуктов плавки только с точки зрения обеспечения необходимой жидкотекучести. После выпуска из доменной печи этот запас физического тепла необходимо рассматривать как потенциальную энергию, которую необходиммо использовать для уменьшения энергопотребления при производстве чугуна. Таким образом, только половина всего тепла затрачивается безвозвратно (на диссоциацию оксидов, испарение влаги, внешние потери и науглероживание чугуна) . Остальное тепло может утилизироваться и возвращаться в тепловой баланс доменном плавки.

В снижении расхода топлива в последнее десятилетие достигнуты заметные успехи. На ряде крупных печей Японии, Франции, ФРГ, Италии суммарный расход кокса и вдуваемого заменителя составил 448-465 кг/т чугуна. На некоторых доменных печах Японии в отдельные месяцы достигнуто значительное снижение расхода топлива. Так, на доменной печи № 4 завода в Муро-Ране (сентябрь 1980 г.), на печи № 3 завода в Кимицу (ноябрь 1980 г.), на печи № 3 завода в Фукуяме (ноябрь 1981 г.) расход топлива составил 408, 406 и 396 кг/т i чугуна соответственно. Отмечается, что последнее значение расхода топлива близко к теоретически нижнему пределу для данных условий плавки. Представляют интерес и другие показатели работы печи в этот период (табл.2.).

Из приведенных данных видно, что низкий расход достигнут в основном за счет повышения температуры дутья (1353 ° С), выплавки чугуна с относительно невысоким физическим прогревом (1481 ° С) и низким содержанием кремния в чугуне при высокой концентрации серы (соответственно 0,27 и 0,045%), проплавки богатой шихты (выход шлака 274 кг/т чугуна) и, главным образом, благодаря высокой степени использования химической и тепловой энергии газового потока (степень использования СО 54,8%, температура колошникового газа 73 °С).

Из теплового баланса следует, что возможности снижения расхода топлива состоят в сокращении затрат тепла на диссоциацию оксидов (или каких-либо других соединений), испарение влаги и нагрев продуктов плавки, повышение температуры дутья и степени использования газового потока, уменьшении науглероживания чугуна и внешних потерь тепла. Рассматривая статьи теплового баланса, необходимо отметить, что они в значительной мере неравноценны. Например, за счет понижения энтальпии чугуна невозможно получить какой-либо значительный эффект, поскольку физическое тепло чугуна необходимо для дальнейшего передела металла и дает там заметный эффект по снижению энергозатрат. По-видимому, незначителен эффект и от понижения энтальпии шлака и степени науглероживания чугуна, а также уменьшения внешних потерь тепла. Затраты тепла на испарение влаги в настоящее время практически отсутствуют, так как в современной доменной плавке, как правило, используют подготовленное железорудное сырье (агломерат и окатыши ) и кокс сухого тушения.

Максимальный эффект по снижению расхода топлива можно получить за счет совершенствования подготовки доменного сырья, повышения температуры дутья, улучшения использования химической и тепловой энергии газового потока и выплавки чугуна с низким содержанием кремния. Качество шихтовых материалов во многом определяет структуру теплового баланса и проявляется практически во всех статьях. Например, металлизация железорудного сырья уменьшает затраты тепла на диссоциацию оксидов, а исключение из доменной шихты карбонатов и гидратов – расход тепла на них разложение. Соответственно снижается и расход топлива.

В настоящее время доменная шихта практически не содержит гидратов и карбонатов, т.е. этот источник экономии топлива практически исчерпан. Попытки металлизовать агломерат на стандартных агломерационных машинах и использовать его в шихте доменной печи не дали положительных результатов. Опытныё плавки на ЧерМК показали, что полученный эффект в доменной плавке не перекрыл допол-нитльных затрат в агломерационном производстве. При степени металлизации агломерата 32,1% производительность агломерационной ленты снизилась почти вдвое, расход твердого топлива на спекание составил 22-25%,резко ухудшилась десульфурация шихты. Из-за увеличения прихода серы с доменной шихтой вынуждены были повысить негрев чугуна и основность шлака. Поданным работы использование металлизованных окатышей в доменном производстве также экономически невыгодно, поэтому это направление в экономии топлива в доменной плавке не получило развития.

Повышение богатства шихты снижает расход тепла на нагрев шлака. При работе на 100% оливинсодержащих окатышей выход шлака уменьшился до 170-190 кг/т чугуна при ровной и стабильной работе печи. Фирма ЛКАБ (Швеция) приступила к производству оли-винводержащих окатышей с содержанием до 68% Fe. Однако даже при снижении выхода шлака в 2 раза структура теплового балакса изменится не значительно, так как затраты тепла на нагрев шлака составляют всего 4%.

Существенные изменения в тепловом балансе могут произойти при улучшении таких характеристик железорудных метериалов, как прочность в холодном и горячем состоянии, восстановимость, показатели вязкопластического состояния в высокотемпературной зоне печи. Эти свойства проявятся главным образом в сокращении статей неиспользованного в доменной плавке тепла. Основным источником экономии кокса в этом случае является более эффективное протекание восстановительных и теплообменных процессов в печи, повышение использования химической и тепловой энергии газового потока. Как следствие, резко сокращается энергия, уносимая с колошниковым газом. Улучшение высокотемпературных свойств шихтовых материалов приводит к меньшему науглероживанию чугуна и сокращению потерь тепла с углеродом, перходящим в чугун. Повышение металлургических свойств железорудного сырья предоставляет возможность вести процесс более интенсивно, с большей подгрузкой материалами периферии, более равномерным их распределением по сечению шахты доменной печи. При этом наряду с увеличением использования газа и понижением его температуры, сокращаются внешние удельные потери тепла с охлаждающей водой.

Таким образом, тепловой баланс доменной плавки может быть значительно улучшен за счет более совершенной подготовки шихтовых материалов. Другой эффективный путь экономии топлива на выплавку чугуна – повышение нагрева доменного дутья. Благодаря совершенствованию конструкции воздухонагревателей и повышению свойств огнеупоров для их футеровки удалось достигнуть в настоящее время уровень нагрева дутья до 1300-1400 °С.

Опыт работы воздухонагревателей в СССР, Японии, ФРГ показал, что для нагрева дутья до 1300 °С и выше (температура купола 1400-1550 4 С) целесообразно строить аппараты с выносной камерой горения. Однако стоимость сооружения блока таких воздухонагревателей на 30-40% – выше затрат на строительство блока воздухонагревателей с внутренней камерой горения. Считают, что высокотемпературные воздухонагреватели с выносной камерой горения целесообразно сооружать на доменных печах объемом 2000 м3 и более.

Повышению температуры дутья способствовало также оборудование выносных камер горения керамическими горелками. Такие горелки улучшают условия службы огнеупоров, обеспечивают растянутый факел. В результате уменьшается разрушение кладки из-за ползучести огнеупоров, а также повышается равномерность нагрева кладки по периметру и снижается вероятность образования трещин. За рубежом такие горелки получили широкое распространение в высокотемпературных воздухонагревателях. В СССР ими оборудовано около 20 воздухонагревателей, в том числе блок воздухонагревателей доменной печи объемом 5500 м3 ЧерМК.

В настоящее время в высокотемпературных зонах насадки воздухонагревателей в основном используют малоразрыхляющийся динас или высокоглиноземистые огнеупоры. Динас имее минимальную деформацию под действием нагрузок в условиях высоких температур и обладает достаточной стойкостью при температуре купола 1550 °С. Дальнейшее повышение температуры дутья связано с конструктивными изменениями воздухонагревателей (например, применением насыпных насадок и сжигание газа в подкупольном пространстве), использование новых огнеупоров, а также применением более калорийной смеси газов для их обогрева, что не всегда эффективно. Характерно, что при этом увеличатся и затраты на строительство воздухонагревателей.

В работе приведена оценка эффективности повышения температуры доменного дутья и сделан вывод о том, что нагрев дктья до 1400 °С экономически эффективен во всех районах страны. Увеличение нагрева дутья до 1400 до 1700 ° С менее элективно, но экономически оправдано для всех экономических районов страны,кроме Западной Сибири,где стоимость кокса ниже,чем в остальных районах. Следует также отметить, что экономия кокса от повышения температуры на каждые 100 ° С в диапазоне от 1000 до 1400 ° С уменьшается почти в 2 раза. Выполненная оценка эффективности нагрева дутья относительна и в каждом конкретном случае может оказаться и другая величина экономически целесообразной тампературы дутья. В последнее время с целью экономии топлива все больше внимания уделяют улучшению использования газового потока в доменной печи за счет оптимального распределения шихтовых материалов, что стало возможным благодаря применению засыпных аппаратов и регулирующих устройств с широким диапазоном перераспределения материалов по сечению колошника и созданию технологических моделей для оптимизации процесса на основе сведений, получаемых с помощью новейшей измерительной аппаратуры. ‘

Одним из направлений снижения расхода топлива за рубежом является выплавка чугуна с низким содержанием кремния. Так, в период с мая по июнь 1984 г. среднемесячное содержание кремния в чугуне на доменной печи № 3 завода фирмы “Ниппон кокан” в Фукуляме (Япония) составило 0,19%, а на доменной печи № 2 завода фирмы “Кавасаки сэйтэцу” в Мидзусиме – 0,16%. В этом случае улучшается тепловой баланс за счет сокращения расхода полезного тепла на восстановление кремния. Приведенные в табл.2 данные о работе доменной печи № 3 завода в Фукуяма (Япония) иллюстрируют возможности экономии топлива, расход которого почти на 100 кг/т чугуна ниже, чем в обычной доменной практике. На этой печи реализовано большинство из рассмотренных выше направлений снижения на выплавку чугуна. Особого внимания заслуживает достигнутая на печи высокая степень использования газового потока.

Наряду с экономией топлива в связи с дефицитом отдельных его видов и постоянным изменением цен на топливо совершенствуется его структура. В доменной печи основным энергоносителем, источником и регенератором газа-восстановителя является кокс. Он также служит опорным каркасом и науглероживателем. В связи с возрастающим дефицитом коксующихся углей в мировой практике цена кокса за последние три десятилетия резко возросла. Так, в ФРГ к 1985 г. цена кокса возросла почти в 8 раз по сравнению с 1950 г. Предпринимают попытки частично заменить дорогостоящий кокс более дешевыми видами топлива, которые вдувают в печь через фурмы.

В настоящее время на отдельных доменных печах достигли расхода кокса 330-340 кг/т чугуна. Так, при вдувании порошкообразного угля 135 кг/т на доменной печи № 4 фирмы “Тиссен” (ФРГ) среднемесячный расход кокса составил 338 кг/т, а на доменной печи № 2 фирмы “Юзинор” в Дюнкирхене (Франция) – 333 кг/т чугуна при расходе угля 143 кг/т. В то же время можно отметить, что расход заменителей кокса не может увеличиваться беспредельно, поскольку при недостаточном его количестве он не сможет выполнять функции опорного каркаса. Выбор эквивалентного топлива при решении технических и технологических вопросов является экономической проблемой и определяется соотношением цен на кокс и его заменители.

Так, поданным, начиная со второго нефтяного кризиса 1979 -1980 гг., экономичность доменного процесса за рубежом определяется в значительной мере динамикой роста цен на жидкое топливо, природный газ и кокс. Если до 1979 г. цена на жидкое топливо и природный газ была ниже кокса, то в последующий период она резко возросла и значительно превысила цену кокса. В связи с этим применение жидкого топлива в доменной плавке резко сократилось, отказались также от использования высококалорийного газа в доменных воздухонагревателях, что привело к понижению температуры дутья и увеличению расхода кокса.

Соотношение цен на топливо в странах ЕЭС в настоящее время сложилось таким образом, что жидкое топливо, ни газ ( природный или коксовый) с высокой теплотой сгорания при сбалансированном энергопотреблении на металлургическом предприятии могут конкурировать с коксом и на ближайшую перспективу экономичным остается только применение пылеугольного топлива.

В работе отмечается, что вдувание угля получает развитие не только в Европе. В КНР на отдельных доменных печах расход угля достигает 150 кг/т чугуна. В Японии ~ 37% дуйствующих печей оборудованы системами угля. В Западной Европе на 13 доменных печах применяют пылевидный уголь, в количестве ~ 150 кг/т чугуна. На ряде заводов за рубежом в доменные печи вдувают смеси. На заводе в Торонто фирмы “Италсидер” (Италия) для вдувания используют смеси угля с дегтем и мазутом, а также вдувают водно-угольные суспензии. Однако, поданным японских специалистов, вдувание угольной пыли экономически более выгодно, чем таких смесей, как уголь – мазут, деготь – уголь, водно-угольная суспензия.

В СССР при сложившемся уровне цен на топливо в качестве заменителей кокса применяют природный и коксовый газы, мазут и пылеугольное топливо. Максимальное распространение получил природный газ как более удобный с точки зрения эксплуатации и минимальных капитальных затрат на строительство систем подачи его в доменные печи. Поскольку в СССР большинство доменных печей работают с обогащением дутья кислородом, то применение природного газа эффективно.

В работе показано, что величина дополнительной экономии кокса от повышения нагрева дутья при вдувании природного газа составляет 60-100% основной, а прирост производительности от дополнительного повышения температуры дутья или обогащения его кислородом – 12-20% по отношению к производительности в исходном режиме. Соответствующие показатели для мазута и измельченного газового угля почти вдвое меньше, а для измельченного антрацита – меньше в 3,5 раза. Максимального эффекта можно достичь при одновременном повышении нагрева дутья и расхода природного газа. В СССР вдувание угля в доменные печи не получило пока широкого рапространения. Это связано прежде всего с большими капитальными вложениями по подготовке и подаче угля в печь, конструктивными недоработками отдельных узлов (в частности, по регулированию расхода и распределения угля по фурмам), высокими эксплуатацион: ными издержками, а также приемлемым с экономической точки зрения уровнем цен на природный газ.

Вопрос о применении восстановительных газов в качестве альтернативных видов топлива не выходит до сих пор из стадии опытно-промышленных исследований. В работе установлено, что наиболее удобным для реализации является вариант работы с вдуванием в горн печи горячих восстановительных газов чистого холодного кислорода. При этом для подачи газа может быть использован существующий тракт горячего дутья, а для подачи кислорода – существующий тракт природного газа. Однако и в этом случае помимо получения чистого от С02 и Н20 высстановительного газа и его нагрева, большие трудности возникают с организацией подачи восстановительного газа и кислорода в доменный очаг, созданием устойчивых, достаточных по размерам (особенно в направлении к оси печи) окислительных зон. Таким образом, на ближайшую перспективу альтернативными видами топлива как заменителей кокса в СССР могут быть природный или коксовый газ и пылевидный уголь; за рубежом – в основном пылеугольное топливо, а в отдельных странах, где имеются большие его ресурсы, – природный газ (Южная Америка , страны Среднего востока и др.). Наряду со стремлением максимально снизить расход топлива и поисками эквивалентных более дешевых его видов, в последнее время прина-мают меры по использованию энергии ртходящих газов.

Из теплового баланса видно, что значительная его часть уносится из печи с колошниковым газом. В настоящее время практически вся энергия колошникового газа утилизируется. Доменные печи, работающие с повышенным давлением газа на колошнике, оборудуют газовыми утилизационными бескомпрессорными турбинами (ГУБТ) для производства электроэнергии. При этом принимают меры по повышению эффективности использования высокого давления колошникового газа путем его сухой очистки. Колошниковый газ используют для обогрева воздухонагревателей, и его тепло вновь возвращается в доменную печь через нагрев дутья, а также в других агрегатах в качестве топлива.

Широкое распространение получило использование тепла отходящих газов вохдухо-нагревателей для подогрева вохдуха горения и горючего газа в различных теплообменниках. Выбор типа теплообменников определяется технологическими параметрами теплоносителя и нагреваемой среды. При средней температуре продуктов сгорания 250-300 ° С возможен подогрев одного воздуха горения до 200-240 ° С, а совместный подгрев доменного газа и воздуха горения – до 140 – 150 ° С. Второй вариант имеет преимущество, так как обеспечивает более полную утилизацию тепла и меньшие габариты теплообменников. В настоящее время в Японии > 84% воздухонагревателей оборудовано такими теплообменниками. Работы по утилизации тепла отходящих продуктов сгорания ведут в ФРГ, Франции,, Австрии и других странах.

Кроме того, большое внимание уделяют уменьшению потерь от недожога в керамических горелках воздухонагревателей, так как из-за снижения теплоты сгорания способность доменного газа к зажиганию и горения ухудшилась. Так, Институтом промвшленных исследований в ФРГ выполнено тщательное изучение степени догорания доменного газа в воздухонагревателях. Установленно, что характер течения и смешения на выходе из горелки воздуха и газа оказывает значительное влияние на ход процесса горения и образовавшаяся неравномерность распределения температур и потоков в камере горения самопроизвольно не устраняется, как обычно принималось. Институтом разработаны новые конструкции горелок, обеспечивающих полное сгорание топлива и оптимальное использование энергии горючего газа. Подогрев воздуха горения и доменного газа, наряду с совершенствованием конструкции керамических горелок воздухонагревателей и оптимизацией процесса горения, позволяет обеспечить температуру дутья ~ 1200-1250 °С ,без применения топлива с высокий теплотой сгорания.

Все больше внимание уделяют использованию физического тепла продуктов плавки. В СССР созданы и используют на ЧерМК мощные 600-т миксеровозы для транспортировки жидкого чугуна, потери тепла при этом по сравнению с транспортировкой в ковшах сократились более чем в 2 раза. В Японии наметился переход от стадии опытных разработок к промышленной утилизации физического тепла жидких доменных шлаков.

Установка воздушной грануляции доменного и конвертерного шлаков с утилизацией их тепла (рис. 1) введена в эксплуатацию на заводе фирмы “Ниппон кокан” в Фукуяме (Япония). Шлак из ковша по желобу поступает в закрытую грануляционную камеру, где он дробится струей воздуха, подаваемого под давлением. В грануляционной камере тепла шлак утилизируется на выработку пара и нагрев воздуха, идушего во вращающуюся сушилку, где используется для осушения прокатной окалины. При этом утилизируется 80% тепла шлака. Применение энергосберегающих технологий позволит значительно повысить экономичность доменного процесса.

Рис. 1. Технологическая схема установки воздушной грануляции шлака с утилизацией тепла: I – предварительная обработка жидкого шлака; II – воздушная грануляция шлака; III отделение утилизации тепла; IV обработка гранулированного шлака; V – разгрузка и транспортирование шлака; VI – отсев; VII и VIII – мокрая и сухая окалина соответственно; 1 – шлаковая чаша; 2 – желоб; 3 – вентилятор; 4 – грануляционная камера; 5 -гранулированный шлак; 6 – конвейер; 7 – бункер для сбора гранулированного шлака; 8 – грохот; 9 – вращающая сушилка для сушки прокатной окалины

Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум