Способ эксплуатации доменной печи - RU2679817C2

Чертежи

Показать все 9 чертежа(ей)

Описание

Область техники, к которой относится изобретение

[0001] Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации доменной печи. В частности, оно относится к способу эксплуатации доменной печи в отношении (1) вдувания газа с высоким содержанием водорода через обычную фурму, (2) вдувания колошникового газа через обычную фурму или через фурму, размещенную на средней ступени печи, и (3) вдувания газа с высоким содержанием водорода и колошникового газа через обычную фурму в то время, как степень обогащения дутьевого газа кислородом составляет от 10% до 40%.

Уровень техники

[0002] Для получения чугуна в доменной печи требуется углеродсодержащий материал, такой как кокс, но снижение величины потребления углеродсодержащего материала на тонну чугуна (ниже называемой «расходом восстановителя») является главной задачей для сокращения производственных затрат, и к решению которой стремились в прошлом.

[0003] Например, патентный документ (PLT) 1 имеет целью сокращение затрат повышением, насколько возможно, величины потребления мелкого угля, который был непригоден для использования в работе традиционной доменной печи. PLT 1 раскрывает способ эксплуатации доменной печи, включающий вдувание газа с концентрацией кислорода 40% или более из фурмы при обычной температуре, и способ включает вдувание в печь части угольной пыли, содержащей крупную фракцию угля +2 мм в количестве от 5 до 30%, и имеющей максимальный размер зерен 5 мм в угольной пыли, из фурмы или вблизи фурмы. Кроме того, в PLT 2 регулируется отношение колошникового газа, вдуваемого через фурмы в шахте доменной печи, и колошникового газа, вдуваемого через нижнюю фурму (фурмы), чтобы тем самым согласовывать величину тепловой нагрузки с количеством тепла, подводимого в доменную печь, в оптимальном режиме, и обеспечивать возможность значительного улучшения потребления кокса и эффективности использования завалки сравнительно с известными значениями. Кроме того, PLT 3 представляет способ эксплуатации доменной печи вдуванием газообразного топлива вместе с угольной пылью из фурмы доменной печи, чтобы тем самым обеспечивать горючесть угольной пыли и улучшать производительность и сокращать стоимость топлива (синонимично с расходом восстановителя). Кроме того, PLT 4 имеет целью стабильную высокопроизводительную работу доменной печи, и раскрывает способ эксплуатации доменной печи с вдуванием газа с концентрацией кислорода от 30% до менее 100% через фурмы, и вдуванием предварительно нагретого газа из шахтной части на средней ступени доменной печи, чтобы тем самым обеспечивать возможность использования большого количества угольной пыли.

[0004] Разнообразные технические новшества, такие как разъясненные выше, позволили в значительной мере улучшить эффективность эксплуатации и привели к потреблению углеродсодержащих материалов на тонну чугуна на уровне ниже 500 кг.

[0005] В дополнение к такому сокращению расхода восстановителя при работе доменной печи и прочим улучшениям стоимости производства, в недавние годы стало широко распространенным стремление к снижению выбросов диоксида углерода (СО₂), одного из парниковых газов, главным образом вызывающего глобальное потепление. Сталелитейная промышленность, одна из главных индустриальных отраслей, имеющих отношение к выбросам СО₂, должна была реагировать на такие общественные запросы. Стало неотложным дополнительное сокращение при эксплуатации доменной печи, при которой используются большие количества углеродсодержащих материалов при производстве чугуна и стали. Японская сталелитейная промышленность наметила цели преднамеренных действий, чтобы найти решение в отношении снижения выбросов СО₂, но на это оказывало влияние развитие новых технологий с расчетом на будущее.

[0006] Однако ни один из патентных документов (PTL) 1-4 не ставил своими основными целями сокращение выбросов СО₂. Они в недостаточной мере выполняют функцию фундаментального сокращения количества выделяемого СО₂. Таким образом, пока это основывается на существующих способах эксплуатации, даже если рассматривать с позиции теплового коэффициента полезного действия, нынешняя ситуация такова, что уже нельзя найти дополнительные возможности для существенного сокращения потребления углерода.

[0007] Ввиду такой ситуации, в Европе была проведена работа по разработке технологии, направленной на значительное сокращение потребления углерода при эксплуатации доменной печи. То есть, в так называемом проекте «ULCOS» был разработан доменный процесс, основанный на печи с кислородным дутьем, объединяющий способы отделения и утилизации СО₂, отделение СО₂ от колошникового газа, повторное нагревание его и повторное вдувание в печь через фурмы, с недавних пор предусматриваемой на боковой стенке корпуса печи на средней ступени доменной печи, или через обычную фурму (непатентный документ NPLT 1).

[0008] ФИГ. 1 показывает технологическую блок-схему вышеуказанного доменного процесса ULCOS. Он представляет собой технологическую схему, которая считается наилучшей по эффекту сокращения потребления углерода в доменной печи. Признаками, в наибольшей степени отличающимися от работы обычной доменной печи, являются (1) тот момент, что не используется горячий воздух для дутья через обычную фурму, но вдуваются кислород и угольная пыль при комнатной температуре, (2) вдувание колошникового газа в доменную печь после отделения СО₂ из всего колошникового газа для создания «замкнутой рециркуляции газа», и (3) нагревание рециркулируемого газа из колошникового газа до высокой температуры во время, когда его вдувают через обычную фурму. Кроме того, в ходе доменного процесса согласно ФИГ. 1 степень непрямого восстановления руды составляет более 89,7%. 28%-ная степень сокращения углерода достигается для 289 кг/тонну чугуна (tHM) количества углерода (С), загруженного на тонну чугуна (1 tHM) во время нормальной работы. Кроме того, СО₂ отделяется от колошникового газа способом вакуумной адсорбции при переменном давлении. Символ «vol» («объем») на ФИГ. 1 показывает количество газа при стандартных условиях.

[0009] Эти признаки создают серьезные риски, когда применяются для промышленных доменных печей. То есть, вышеупомянутый пункт (1) требует, чтобы большое количество угольной пыли вводилось для поддерживания температуры в зоне горения перед фурмой при надлежащем значении. Согласно отчету по проекту ULCOS, удельный расход угольной пыли (расход угольной пыли на тонну чугуна) достигал 300 кг/тонну чугуна, и в результате этого количество кокса снижалось до 200 кг/тонну чугуна и менее. При современном уровне техники эксплуатации доменной печи, которая, как правило, имеет только 270 кг/тонну чугуна или более удельного расхода кокса, невозможно легко создать стабильный эксплуатационный режим. В дополнение, поскольку кислород вдувается при комнатной температуре, с дутьевым газом не вносится никакое теплосодержание. Поэтому, даже если возникает неполадка в работе, приводящая к охлаждению печи, внутренность печи не может быть быстро нагрета, и затруднительно возобновить работу. Кроме того, эксплуатация в режиме «замкнутой рециркуляции газа» создает опасность рециркуляции содержащихся в газовой фазе (например, содержащейся серы и т.д.) следовых элементов и концентрирования их в доменном процессе. Возникает вопрос, может ли поддерживаться стабильная эксплуатация в течение длительного периода времени.

[0010] Таким образом, доменный процесс, проводимый по проекту ULCOS, было бы затруднительно применить в промышленной доменной печи, в которой производство чугуна должно стабильно продолжаться в течение длительного периода времени, даже если исполнение его было возможным на короткое время при проведении испытания.

[0011] С другой стороны, существует способ снижения потребления углерода путем передачи водороду восстановительной функции, которая представляет собой одно из действий углерода при работе доменной печи. То есть, он представляет собой технологический режим с вдуванием в доменную печь природного газа или коксового газа (ниже называемого «COG»), или другого восстановительного газа, содержащего водород. Есть большое число изобретений, относящихся к такому способу эксплуатации, но, в частности, был представлен способ преобразования газовой смеси из СО₂ и СО, отделенной от колошникового газа, в метан (СН₄), и опять вдувания преобразованного газа в доменную печь с целью сокращения выбросов СО₂ из доменной печи (PLT 5).

[0012] Этим способом отделяют и утилизируют СО₂ (и/или СО) из колошникового газа, добавляют к нему Н₂ для преобразования его в СН₄, затем опять вдувают в доменную печь, но существуют такие проблемы, как новая потребность в оборудовании для преобразования в СН₄, и то обстоятельство, что если просто вдувается СН₄, потребление углерода в доменной печи не может быть в достаточной мере снижено. Нельзя сказать, что разъясненные вначале общественные запросы относительно сокращения выбросов СО₂ могут быть в достаточной степени удовлетворены.

Список цитированной литературы

Патентная литература

[0013] PLT 1. Японская Патентная Публикация № Н05-86444В2

PLT 2. Японская Патентная Публикация № S52-32323В2

PLT 3. Японская Патентная Публикация № Н05-17932А

PLT 4. Японская Патентная Публикация № S63-57704А

PLT 5. Японская Патентная Публикация № 2011-225969А

Непатентная литература

[0014] NLPT 1. «Final Evaluation of the Ulcos TGR-BF Pilot Tests Performed at the LKAB Experimental Blast», Pettrsson Mikael, Silkstrom Peter, Eklund Nicklas, Proceedings of 6^th ICSTI (2012), стр. 960.

Сущность изобретения

Техническая задача

[0015] Существенное сокращение потребления углерода в доменной печи является важным в пределах существующей технологии эксплуатации. Кроме того, стало насущной задачей создание способа эксплуатации доменной печи, при котором она может быть быстро повторно запущена, даже если возникает неполадка, обусловленная охлаждением печи, и который обеспечивает возможность стабильного производства чугуна без риска рециркуляции следовых элементов и накопления их в доменном процессе. Цель настоящего изобретения состоит в создании способа эксплуатации доменной печи, способного значительно сократить выбросы СО₂ и обеспечивать стабильное производство чугуна на протяжении длительного периода времени в промышленной доменной печи.

Решение задачи

[0016] Авторы настоящего изобретения и т.д. обнаружили, что вдуванием СН₄-содержащего газа с высоким содержанием водорода через обычную фурму, вдуванием колошникового газа, из которого были удалены оксидные компоненты и Н₂О, через фурму, размещенную на средней ступени печи (ниже называемой «шахтной фурмой»), и вдуванием СН₄-содержащего газа с высоким содержанием водорода и колошникового газа, из которого были удалены оксидные компоненты и Н₂О, через обычную фурму с проведением обогащения дутья кислородом через обычную фурму от 10% до 40%, можно значительно сократить выбросы СО₂ и стабильно эксплуатировать доменную печь в течение длительного периода времени. Кроме того, «обычная фурма» представляет собой фурму на нижней ступени печи на стороне ниже шахтной фурмы для вдувания в доменную печь угольной пыли или другого вспомогательного топлива вместе с горячим воздухом.

[0017] Настоящее изобретение было выполнено на основе этого обнаруженного факта для решения вышеуказанной задачи, и его сущность заключается в следующем:

[0018] (1) Способ эксплуатации доменной печи, в котором железную руду и кокс загружают через верха печи, и угольную пыль вдувают через обычную фурму,

включающий

вдувание дутья, содержащего по меньшей мере одно из водорода и углеводорода, через обычную фурму вместе с угольной пылью, и

вдувание в доменную печь газа, включающего колошниковый газ доменной печи, из которого удалены диоксид углерода и пар, через шахтную фурму.

(2) Способ эксплуатации доменной печи согласно пункту (1), дополнительно включающий вдувание в доменную печь дутья, состоящего из колошникового газа доменной печи, из которого удалены диоксид углерода и пар, через обычную фурму.

(3) Способ эксплуатации доменной печи согласно пункту (1) или (2), в котором дутье через обычную фурму обогащено кислородом в результате обогащения кислородом не менее, чем на 10%, и не более, чем на Y%, показываемым в следующей формуле:

Y=0,079×СН₄+32, где СН₄ обозначает количество метана в об.% в газе, вдуваемом через обычную фурму.

(4) Способ эксплуатации доменной печи согласно любому из пунктов (1)-(3), в котором расход газа, содержащего по меньшей мере одно из водорода и углеводорода, составляет 30 норм.м³/тонну чугуна или более.

(5) Способ эксплуатации доменной печи согласно любому из пунктов (1)-(4), в котором колошниковый газ, вдуваемый из шахтной фурмы, вдувается из шахтной фурмы и при расходе 400 норм.м³/тонну чугуна или менее, при температуре от 600°С до 1000°С.

(6) Способ эксплуатации доменной печи согласно любому из пунктов (1)-(5), в котором расход колошникового газа, вдуваемого из шахтной фурмы, составляет 100 норм.м³/тонну чугуна или более.

(7) Способ эксплуатации доменной печи согласно любому из пунктов (1)-(6), в котором газ, содержащий по меньшей мере одно из водорода и углеводорода, вдуваемый через обычную фурму, содержит метан.

(8) Способ эксплуатации доменной печи согласно пункту (7), в котором газ, содержащий метан, включает по меньшей мере одно из коксового газа и природного газа.

Преимущественные результаты изобретения

[0019] Представлен способ эксплуатации доменной печи для значительного сокращения выбросов СО₂ и для стабильного производства чугуна в течение длительного периода времени в промышленной доменной печи.

Краткое описание чертежей

[0020] ФИГ. 1 представляет вид, показывающий технологическую блок-схему доменного процесса ULCOS.

ФИГ. 2 представляет вид, показывающий взаимозависимость между расходом газа, вдуваемого через обычную фурму (COG и природного газа) (норм.м³/тонну чугуна) и потреблением углерода (кг/тонну чугуна).

ФИГ. 3 представляет вид, показывающий вкратце процесс (Условие А+Условие В).

ФИГ. 4 представляет вид, показывающий изменение потребления углерода (кг/тонну чугуна), связанное с вдуванием рециркулируемого газа из шахтной фурмы во время того, как потребление COG, вдуваемого через обычную фурму, доводится до 95 (норм.м³/тонну чугуна) в процессе (Условие А+Условие В).

ФИГ. 5 представляет вид, показывающий потребление углерода (кг/тонну чугуна) во время дополнительного вдувания любого одного из угольной пыли, COG или природного газа через обычную фурму в доменную печь, работающую в стандартном режиме без Условия В, и потребление углерода (кг/тонну чугуна) во время дополнительного вдувания любого одного из угольной пыли, COG или природного газа через обычную фурму в процессе (Условие А+Условие В).

ФИГ. 6 представляет вид, показывающий обобщение процесса (Условие А+Условие В+Условие С).

ФИГУРЫ 7 представляют виды, показывающие взаимозависимость между параметрами работы доменной печи в случае регулирования потребления COG, вдуваемого через обычную фурму, на значение 95 (норм.м³/тонну чугуна) в процессе (Условие А+Условие В+Условие С). ФИГ. 7А показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и потреблением углерода (кг/тонну чугуна). ФИГ. 7В показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и удельным расходом кокса (кг/тонну чугуна) и взаимосвязь между степенью обогащения кислородом (%) и количеством дутья рециркулируемого газа через обычную фурму (норм.м³/тонну чугуна). ФИГ. 7С показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и количеством рециркулируемого газа из колошникового газа (%).

ФИГУРЫ 8 представляют виды, показывающие взаимозависимость между параметрами работы доменной печи в случае регулирования потребления природного газа, вдуваемого через обычную фурму, на значение 95 (норм.м³/тонну чугуна) в процессе (Условие А+ Условие В+Условие С). ФИГ. 8А показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и потреблением углерода (кг/тонну чугуна). ФИГ. 8В показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и количеством кокса (кг/тонну чугуна) и взаимосвязь между степенью обогащения кислородом (%) и количеством дутья рециркулируемого газа через обычную фурму (норм.м³/тонну чугуна). ФИГ. 8С показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и количеством рециркулируемого газа из колошникового газа (%).

ФИГ. 9 представляет график, показывающий взаимозависимость между количеством COG и потреблением углерода в случае изменения количества дутья COG, вдуваемого через обычную фурму, дополнительного вдувания колошникового газа через обычную фурму без нагревания колошникового газа в процессе «Условие С», и повышения степени обогащения кислородом дутья через обычную фурму в процессе (Условие А+Условие В).

ФИГ. 10 представляет график, показывающий взаимозависимость между количеством природного газа и потреблением углерода в случае изменения количества природного газа, вдуваемого через обычную фурму, дополнительного вдувания колошникового газа через обычную фурму без нагревания колошникового газа в процессе «Условие С», и повышения степени обогащения кислородом дутья через обычную фурму в процессе (Условие А+Условие В).

Описание вариантов осуществления изобретения

[0021] Чтобы сократить выбросы СО₂ в процессе производства чугуна, необходимо уменьшить величину загрузки углерода, необходимого для производства чугуна в доменной печи. Как разъяснялось выше, главная роль углерода в доменной печи состоит в подведении тепла для восстановления и расплавления железной руды (ниже «железная руда» используется как общий термин для агломерата руды, окатышей, полученных окомпованием железной руды, или других материалов из источников руды). В настоящем изобретении потребление углерода сокращается заменой углеродного восстановителя водородом для части восстановления.

[0022] Однако при эксплуатации доменной печи, которая восстанавливает и расплавляет железную руду в высокотемпературной зоне печи, которая самостоятельно формируется только завалкой сырьевых материалов сверху и выполнением дутья через обычную фурму простым вдуванием газа, имеющего высокое содержание водорода через обычную фурму, нелегко поддерживать стабильное производство чугуна. Вдобавок, затруднительно добиться фундаментального сокращения потребления углерода.

[0023] Поэтому авторы настоящего изобретения сосредоточили внимание на добавлении следующих частных технологий в существующую технологию эксплуатации доменной печи, чтобы преодолеть вышеуказанные проблемы. То есть, они сосредоточили внимание на следующих условиях от (А) до (С):

(А) Вдувание газа, содержащего по меньшей мере одно из водорода или углерода, через обычную фурму.

По скорости восстановления руды газом газообразный Н₂ превосходит даже газообразный СО. Газ, содержащий по меньшей мере один из СН₄ или других углеводородов, содержащих большое количество водорода, и водород, вдувают в доменную печь так много, насколько возможно.

(В) Нагревание колошникового газа, из которого были удалены СО₂ и другие оксидные компоненты и пар (Н₂О), и вдувание его из шахтной фурмы.

Колошниковый газ, в котором высока доля газа, имеющего восстановительную способность, получают удалением оксидных компонентов и пара из колошникового газа, и полученный колошниковый газ используют повторно. Нагреванием полученного колошникового газа до надлежащей температуры и опять вдуванием его из шахтной фурмы внутрь доменной печи (ниже называемым «рециркуляцией колошникового газа»), можно повысить степень утилизации печного восстановительного газа.

Кроме того,

(С) вдувание колошникового газа через обычную фурму без нагревания колошникового газа и повышение степени обогащения кислородом дутья через обычную фурму.

[0024] При вдувании колошникового газа через обычную фурму важно поддерживать теоретическую температуру газа, генерированного в результате сгорания в зоне горения перед фурмой (ниже называемую просто «температурой пламени») в надлежащем диапазоне. Из этих соображений предпочтительно не нагревать колошниковый газ и создавать степень обогащения кислородом дутья через обычную фурму на уровне от 10% до 40%. В результате этого можно поддерживать температуру пламени в пределах надлежащего диапазона, в то же время повышая содержание восстановительного газа как компонента печного газа. Кроме того, уже больше не требуется повышать количество нагнетаемой угольной пыли для корректирования температуры пламени, и можно избежать экстремального падения удельного расхода кокса.

[0025] Следует отметить, что значение Х степени обогащения кислородом (%) показывает концентрацию кислорода, обогащенного относительно нормального дутья. Например, величина концентрации кислорода, обогащенного относительно обычного дутья (воздуха (концентрация кислорода приблизительно 21%)) выражается следующей формулой:

Х(%)=(0,21×Vb/60+Vo/60)/Vb+Vo/60)×100-21

где Vo: величина расхода потока кислорода (норм.м³/час)

Vb: общее расход через обычную фурму, включая величину расхода потока колошникового газа (норм.м³/мин)

Здесь производительность доменной печи напрямую зависит от количества кислорода, вдуваемого в доменную печь (называемого «количеством вдуваемого кислорода»). Когда проводят повышение степени обогащения кислородом в таких условиях, что производительность сохраняется постоянной, то чтобы сделать количество вдуваемого кислорода постоянным, общей практикой является корректирование количества дутья на понижение.

[0026] Кроме того, верхний предел значения степени обогащения кислородом ограничивается присутствием или отсутствием эрозии фурмы, и также изменяется сообразно составу вдуваемого газа. То есть, состав вдуваемого газа обусловливает изменение верхнего предела (Y%) степени обогащения кислородом, приводящего к эрозии фурмы вследствие повышения температуры, на иной. То обстоятельство, что это, как правило, пропорционально содержанию СН₄ относительно состава газа охлаждающей среды в газе, и что эта взаимозависимость выражается следующей формулой, было подтверждено авторами настоящего изобретения и т.д.

Y=0,079×СН₄+32

где, Y: верхний предел степени обогащения кислородом (%)

СН₄ в формуле: количество метана в об.%, содержащегося во вдуваемом газе

Кроме того, если степень обогащения кислородом делается чрезмерной, не только становится вероятной возможность возникновения эрозии фурмы, но также фокус горения на траектории чрезмерно смещается в сторону стенки, вызывая недостаточную передачу тепла на столб шихты или увеличение потери тепла у боковой стенки, и эффект загруженного материала также становится нестабильным. Соблюдением вышеуказанных условий можно достигать цели настоящего изобретения.

Примеры

[0027] Далее будут разъяснены примеры настоящего изобретения, но настоящее изобретение ими не ограничивается.

[0028] Эксплуатация доменной печи была смоделирована на основе численного анализа доменной печи для изучения эффектов настоящего изобретения. Для такого моделирования, например, использовали так называемую «математическую модель доменной печи», показанную авторами K. Takatani, T. Inada, и Y. Ujisawa в ISIJ International, том 39, (1999), стр. 15 и след.

[0029] Пример 1

В Примере 1, во-первых, авторы настоящего изобретения подробно исследовали вышеуказанное Условие А «вдувание газа, содержащего по меньшей мере один из водорода и углеводорода, через обычную фурму».

[0030] Таблица 1 показывает стандартные параметры во время работы доменной печи (объем печи 5300 м³), в которую нагнетают угольную пыль через обычную фурму. Рассматривается эксплуатация вдуванием СН₄-содержащего газа с высоким содержанием водорода. Если температуру СН₄ повышают до 800°С или более, он разлагается под действием тепла, в результате чего образуется газообразный водород, и газообразный водород действует как восстановитель, так что получается эффект снижения потребления углерода.

[0031] СН₄-содержащий газ содержит не только водород, но также большое количество водорода в состоянии СН₄ или других углеводородов, так что можно обеспечить его действие в качестве восстановительного материала. В это время концентрация СН₄ предпочтительно составляет 25% или более. Обоснование этого состоит в том, что если концентрация СН₄ составляет менее 25%, то даже если повышается степень обогащения кислородом, горение в зоне сгорания перед фурмой приводит к сокращению возможностей корректирования температуры пламени, и влияние Условий (В) и (С) на повышение степени утилизации печного восстановительного газа становится неудовлетворительным.

[0032] В качестве СН₄-содержащего газа может быть использован COG с высоким содержанием водорода, природный газ с высоким содержанием СН₄, или бытовой газ, или сланцевый газ и синтетический газ, содержащий любую долю его, и другие существующие газы, содержащие СН₄. Состав COG изменяется в зависимости от условий обработки отходящего газа и условий эксплуатации коксовой печи, и различается на каждом сталеплавильном заводе. Диапазон состава, как правило, составляет СН₄: от 25 до 38%, и Н₂: от 47 до 59%.

[0033]

[0034] В этом отношении для восстановления и расплавления железной руды внутренность доменной печи поддерживают при высокой температуре в восстановительной атмосфере. Если в нее вдувают COG, или природный газ, или другой СН₄-содержащий газ, содержащиеся углеводороды подвергаются пиролизу под действием тепла, и образуется пылевидная сажа. Существует опасность забивания сажей полостей между частицами комковатого кокса как заполняющего материала и других источников углерода, и спекания комков руды, и поэтому снижения газопроницаемости внутри печи. Поэтому предпочтительно вдувать вышеупомянутые газы только в зону, где в доменной печи формируется окислительная атмосфера, то есть, зону горения перед обычной фурмой. Таким образом, желательно вдувать COG, или природный газ, или другой СН₄-содержащий газ, через обычную фурму наряду с горячим газом или угольной пылью.

[0035] Состав COG или природного газа несколько различается в зависимости от исходного материала угля или от производственного участка, но при моделировании эксплуатации используются величины содержания, показанные в Таблице 2-1 и Таблице 2-2 как типичные значения. Кроме того, эксплуатационные параметры были прогнозированы расчетом с использованием метода, предусматривающего постоянный удельный расход угольной пыли, и корректирование удельного расхода кокса и количества дутья так, чтобы получить производительность и температуры чугуна, показанные в Таблице 1. Кроме того, это основывается на допущении, что температура пламени, которая рассматривается как важная по практическому опыту при проектировании условий эксплуатации, поддерживается постоянной регулированием степени обогащения кислородом.

[0036]

[0037] Взаимосвязь между расходом газа (COG или природного газа), вдуваемого через обычную фурму (норм.м³/тонну чугуна), и потреблением углерода (кг/тонну чугуна) была получена моделированием эксплуатации доменной печи в условиях согласно Таблице 2-1 и Таблице 2-2. Это соотношение показано в ФИГ. 2. Здесь потребление углерода (кг/тонну чугуна) означает величину удельного расхода углерода, то есть, количество углерода, загруженного или вдуваемого в виде кокса, угольной пыли, COG или природного газа, на тонну чугуна. Оно представляет собой количество, непосредственно связанное с выбросами СО₂, сопровождающими производство чугуна. Согласно этой фигуре, будет понятно, что потребление углерода снижается в соответствии с повышением потребления COG или потребления природного газа. Это обусловливается тем, что водород, содержащийся в большом количестве в COG или в природном газе, содействует восстановлению железной руды, и не допускается увеличение необходимого количества углерода.

[0038] Кроме того, в Примере 1 авторы настоящего изобретения подробно исследовали эксплуатацию доменной печи, включающую вышеуказанное Условие А, и, кроме того, вышеуказанное Условие В «нагревание колошникового газа, из которого были удалены оксидные компоненты и пар, и вдувание его из шахтной фурмы».

[0039] ФИГ. 3 показывает вкратце процесс (Условие А+Условие В). Основными компонентами колошникового газа, выпускаемого из верха доменной печи, являются СО, СО₂, Н₂, N₂ и Н₂О (пар), но пар удаляют охлаждением в существующем процессе обработки для очистки отработавшего газа. С другой стороны, СО₂ остается в колошниковом газе, но если его удаляют, восстановительная способность колошникового газа в отношении руды в значительной мере возобновляется. Технология отделения и утилизации СО₂ из газа уже была разработана, так что достаточным является внедрение существующей технологии для отделения и удаления СО₂ в систему работы доменной печи, чтобы тем самым выполнять процесс (Условие А+Условие В).

[0040] Также можно нагнетать высокотемпературный газ с высоким содержанием водорода из шахтной фурмы, в дополнение к колошниковому газу, из которого были удалены оксидные компоненты и Н₂О. COG является легкодоступным на сталеплавильных заводах, так что предпочтительно применение COG. Однако, если из шахтной фурмы вдувают СН₄, предотвращаются сажевые отложения и подавляется восстановление железной руды, так что предпочтительным является вдувание COG, в котором было модифицировано содержание СН₄, и т.д. Состав модифицированного COG представляет собой, например, Н₂: 68%, СН₄: 5%, С₂Н₄: 1%, СО: 17%, N₂: 2%, и Н₂О: 7%. Для обеспечения восстановительной способности колошникового газа, нагнетаемого из шахтной фурмы, температуру газа предпочтительно поддерживают на уровне 750°С или более. Кроме того, чтобы повысить долю компонента, имеющего восстановительную способность, предпочтительно нагнетать модифицированный COG после удаления влаги.

[0041] Для исследования преимущественного эффекта процесса (Условие А+Условие В) авторы настоящего изобретения провели модельное прогнозирование действия вдуваемого колошникового газа после удаления СО₂ и Н₂О из шахтной фурмы в условиях нагнетания угольной пыли через обычную фурму, и вдувания COG или природного газа. Здесь благоприятным является выяснение положения, в котором колошниковый газ после удаления СО₂ и Н₂О вдувают в доменную печь в место, где активно развивается восстановление газом. Это положение устанавливают на место, соответствующее температуре печи 1100°С, рассчитанной во время нормальной работы, показанной в Таблице 1. Существующие доменные печи не имеют отверстий, через которые газ нагнетается в такое положение, так что шахтная фурма предусматривается по-новому.

[0042] Вышеуказанное моделирование было выполнено при рециркуляции колошникового газа в условиях согласно Таблице 3. В Таблице 3 «рециркулируемый газ» означает рециркулируемый газ при рециркуляции колошникового газа, который используется для моделирования. Прогнозированные значения параметров во время работы были сделаны стандартными параметрами таким же образом, как в случае Таблицы 1.

[0043]

[0044] ФИГ. 4 представляет график, полученный моделированием эксплуатации с выполнением рециркуляции колошникового газа в условиях согласно Таблице 3, и показывает изменение потребления углерода (кг/тонну чугуна), сопровождающее повышение расхода рециркулируемого газа через шахтную фурму при фиксированном потреблении COG, нагнетаемого через обычную фурму, на уровне 95 норм.м³/тонну чугуна. Как будет понятно из ФИГ. 4, при повышении расхода рециркулируемого газа через шахтную фурму можно сократить потребление углерода (кг/тонну чугуна). То есть, содержание углерода, вновь поступающего в печь с рециркулируемым газом, не является углеродом, загружаемым извне в систему доменной печи, так что рециркуляция колошникового газа на основе настоящего изобретения может повышать эффективность утилизации восстановительного газа и уменьшать потребление углерода (кг/тонну чугуна).

[0045] Однако эффект снижения потребления углерода в доменной печи посредством рециркулируемого газа склонен к насыщению, если расход рециркулируемого газа из шахтной фурмы чрезмерно возрастает. Это становится понятным из того факта, что, даже если увеличение количества восстановительного газа в печи превышает необходимый уровень, скорость реакции восстановления железной руды не может быть повышена. С другой стороны, даже в отношении течения материала в печи избыточный восстановительный газ в печи повышает опасность флюидизации уплотненного слоя в печи, или усиление падения давления, приводящее к явлению проскока по возникающим каналам. Поэтому, чтобы надежно получить эффект сокращения потребления углерода в доменной печи и обеспечить стабильную работу в условиях осуществления настоящего изобретения, предпочтительно устанавливать нижний предел расхода рециркулируемого газа при 100 норм.м³/тонну чугуна, и устанавливать верхний предел расхода рециркулируемого газа при 400 норм.м³/тонну чугуна.

[0046] Кроме того, ФИГ. 4 показывает результаты исследования температуры дутья рециркулируемого газа, нагнетаемого через шахтную фурму внутрь печи. Согласно ФИГ. 4, чем выше делается температура рециркулируемого газа, вдуваемого из шахтной фурмы, тем выше эффект сокращения потребления углерода (кг/тонну чугуна). Это обусловливается не только эффектом повторного использования восстановительного газа, но и эффектом увеличения количества поступающего тепла в доменную печь с теплосодержанием рециркулируемого газа. Однако, что следовало бы отметить, так это тот момент, что если температура рециркулируемого газа падает ниже примерно 600°С, эффект сокращения потребления углерода (кг/тонну чугуна) почти не проявляется. Это явление обусловливается тем обстоятельством, что, если имеет место чрезмерное снижение температуры дутья, становится заметным вредное влияние как существенного снижения распределения температуры в доменной печи, так и нарушения хода реакции восстановления.

[0047] Поэтому при рециркуляции колошникового газа температура, когда нагнетают колошниковый газ из шахтной фурмы внутрь доменной печи, предпочтительно составляет по меньшей мере 600°С. Кроме того, верхний предел температуры предпочтительно доводят до 1000°С или ниже, где нет опасности размягчения-расплавления железной руды в печи, и затруднения протеканию восстановления газом.

[0048] Для дальнейшего исследования преимущественного эффекта процесса (Условие А+Условие В) авторы настоящего изобретения изучили изменение потребления углерода (кг/тонну чугуна) в случае нагнетания соответственно только одной угольной пыли, COG и угольной пыли, и природного газа и угольной пыли, через обычную фурму в процессе (Условие А+Условие В). Во-первых, они рассматривали эксплуатацию доменной печи с использованием стандартного способа при параметрах, показанных в Таблице 1, таким образом, чтобы соответственно вдувать COG, природный газ и угольную пыль через обычную фурму в условиях согласно Таблице 4, так, что количество восстановительного материала, вводимого через обычную фурму (совокупное количество углерода С и водорода Н₂), становилось по существу постоянным. Авторы настоящего изобретения сравнивали степень сокращения потребления углерода (кг/тонну чугуна) при рециркуляции колошникового газа из шахтной фурмы в условиях 400 норм.м³/тонну чугуна, 800°С. В то же время авторы настоящего изобретения исследовали обогащение кислородом дутья для нагнетания COG, природного газа и угольной пыли через обычную фурму внутрь доменной печи так, что температура пламени становилась постоянной.

[0049]

[0050] Результаты вышеуказанной работы показаны в ФИГ. 5. ФИГ. 5 показывает потребление углерода (кг/тонну чугуна), когда проводится дополнительное вдувание любого одного из угольной пыли, COG, или природного газа через обычную фурму в доменную печь, которая работает в стандартном режиме без Условия В, и потребление углерода (кг/тонну чугуна), когда проводится дополнительное вдувание любого одного из угольной пыли, COG, или природного газа через обычную фурму в доменную печь, которая работает в стандартном режиме в процессе (Условие А+Условие В). В ФИГ. 5 сочетанием работы при нагнетании COG или природного газа с высоким содержанием водорода через обычную фурму с рециклингом колошникового газа явственно проявляется эффект сокращения потребления углерода (кг/тонну чугуна). Этот эффект обусловливается той характеристикой, что в отношении восстановления железной руды газообразный Н₂ действует при более высокой скорости реакции, чем газообразный СО. Условие В, при котором используется эта характеристика, показано как обеспечивающее специальный эффект помимо Условия А.

[0051] Таким образом, рециркуляция колошникового газа в настоящем изобретении проявляет особенные действия помимо (Условия А+Условия В). То есть, в эксплуатации с вдуванием COG или природного газа с высоким содержанием водорода через обычную фурму рециркуляцию колошникового газа из шахтной фурмы является особенно эффективным для снижения потребления углерода (кг/тонну чугуна).

[0052] Пример 2

Затем авторы настоящего изобретения исследовали эксплуатацию доменной печи с дополнительным добавлением к вышеуказанным (Условию А+Условию В) Условия С «вдувание колошникового газа через обычную фурму без нагревания и повышение степени обогащения кислородом дутья».

[0053] ФИГ. 6 вкратце показывает процесс (Условие А+Условие В+Условие С). Условие С согласно настоящему изобретению стимулирует сокращение потребления углерода (кг/тонну чугуна) в дополнение к (Условию А+Условию В). Объединением с Условием С можно поддерживать условия сгорания в положении горения перед фурмой в доменной печи в надлежащем диапазоне, и достигать удельного расхода кокса на уровне, способном обеспечивать реальную работу при существующей эксплуатационной технологии.

[0054] Как было разъяснено выше, значение верхнего предела степени обогащения кислородом ограничивается наличием эрозии фурмы, и изменяется сообразно составу вдуваемого газа. В случае данного примера с вдуванием только COG, содержащего СН₄: 37%, из фурмы, если степень обогащения кислородом составляет 35%, температура снаружи фурмы чрезмерно возрастает и вызывает эрозию фурмы. С другой стороны, в случае разъясняемого позже Примера 3 с вдуванием природного газа, содержащего СН₄: приблизительно 100%, из фурмы, если степень обогащения кислородом составляет 40%, происходит эрозия фурмы. Таким образом, верхний предел (Y%) степени обогащения кислородом вследствие повышения температуры различается в зависимости от состава вдуваемого газа. Это пропорционально содержанию СН₄ в составе газа охлаждающей среды в газе. Взаимосвязь представляется следующей формулой:

Y=0,079×СН₄+32

(где Y: верхний предел степени обогащения кислородом (%)

СН₄: количество метана в об.%, содержащегося во вдуваемом газе

[0055] Авторы настоящего изобретения изучили параметры эксплуатации для вдувания COG-содержащего газа через обычную фурму в условиях, показанных в Таблице 5, и исследовали изменение потребления углерода (кг/тонну чугуна) сообразно степени обогащения кислородом (от 10% до 35%) в условиях, в которых фиксирована температура пламени. Кроме того, на средней ступени доменной печи была предусмотрена шахтная фурма, расход рециркулируемого газа из шахтной фурмы было установлено на 200 норм.м³/тонну чугуна и 400 норм.м³/тонну чугуна, и температура дутья рециркулируемого газа из шахтной фурмы была отрегулирована на 800°С. Кроме того, расход нагнетаемой угольной пыли через обычную фурму в этом примере был отрегулирован таким же образом, как значение, показанное в Таблице 1.

[0056]

[0057] ФИГУРЫ 7 представляют виды, показывающие взаимозависимость между параметрами работы доменной печи в случае регулирования потребления COG, вдуваемого через обычную фурму, на значение 95 (норм.м³/тонну чугуна) в процессе (Условие А+Условие В+Условие С), в условиях согласно Таблице 5. ФИГ. 7А показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и потреблением углерода (кг/тонну чугуна). Доля газообразного N₂ (азота) в печном газе падает вместе с повышением степени обогащения кислородом, тогда как концентрация восстановительных компонентов, то есть, Н₂ и СО, возрастает, так что усиливается эффект от действия рециркуляции колошникового газа при Условии В согласно настоящему изобретению. ФИГ. 7В показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и удельным расходом кокса (кг/тонну чугуна), и взаимосвязь между степенью обогащения кислородом (%) и количеством дутья рециркулируемого газа через обычную фурму (норм.м³/тонну чугуна). Вдуванием части рециркулируемого газа при обычной температуре через обычную фурму в надлежащем количестве можно поддерживать температуру пламени без повышения удельного расхода угольной пыли, и можно достигать удельного расхода кокса в фактическом диапазоне, способном обеспечивать стабильную работу, на уровне 270 кг/тонну чугуна или более, в то же время сокращая потребление углерода (кг/тонну чугуна) в доменной печи до около 380 кг/тонну чугуна. Это соответствует сокращению приблизительно на 9% относительно времени нормальной работы согласно Таблице 1.

[0058] ФИГ. 7С показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом (%) и количеством рециркулируемого газа из колошникового газа (%). Количество рециркулируемого газа из колошникового газа (%) означает объемную долю (%) количества дутья восстановительного газа через обычную фурму и шахтной фурмы относительно совокупного количества колошникового газа. Наряду с возрастанием степени обогащения кислородом повышается расход восстановительного газа через обычную фурму, и температура пламени поддерживается постоянной (2155°С). Здесь настоящее изобретение не ограничивается уровнем удельного расхода кокса при эксплуатации доменной печи.

[0059] Обычно при эксплуатации доменной печи для обеспечения выделения тепла у дна печи общей практикой является регулирование условий дутья так, чтобы температура горения перед фурмой становилась постоянной при приблизительно 2155°С. Если эксплуатация проводится в условиях, где температура пламени снижается, в долгосрочном периоде это приводит к снижению тепла печи и температуры чугуна, и будут возникать проблемы с выпуском плавки, охлаждение, и прочие серьезные эксплуатационные неполадки. При работе с вдуванием COG или природного газа из фурмы падает теплосодержание вводимого газа вследствие эндотермической реакции, сопровождающей разложение основного компонента СН₄, и вдувания холодного воздуха в доменную печь, и температура пламени снижается.

[0060] Для компенсации этого является эффективным обогащение дутья кислородом. Кроме того, основными компонентами колошникового газа являются СО и Н₂, так что рециркулируемый газ из колошникового газа не сгорает перед фурмой и вдувается охлаждающим воздухом, и тем самым теплосодержание вводимого газа падает, и снижается температура пламени. В этом случае также можно повысить степень обогащения кислородом в соответствии с расходом рециркулируемого газа для возмещения недостатка тепла. Если проводится повышение степени обогащения кислородом, чтобы сделать производительность постоянной, расход снижают, и количество вводимого в печь кислорода регулируют так, чтобы оно становилось постоянным. В результате этого, наряду с повышением степени обогащения кислородом, сокращается количество N₂ в печном газе, и относительно этого возрастает концентрация СО, Н₂ или другого восстановительного газа. Это приводит к усилению эффекта действия рециркуляции колошникового газа в Условии В.

[0061] Пример 3

ФИГУРЫ 8 показывают взаимозависимость между параметрами работы доменной печи в случае регулирования потребления природного газа, вдуваемого через обычную фурму, на значение 95 (норм.м³/тонну чугуна) в процессе (Условие А+Условие В+Условие С). Здесь эксплуатационные условия в процессе (Условие А+Условие В+Условие С) согласно ФИГ. 8 показаны в Таблице 6. За исключением замены вдуваемого газа с COG на природный газ, регулирования количества дутья рециркулируемого газа из шахтной фурмы на 400 норм.м³/тонну чугуна, и регулирования температуры дутья на 800°С, условия являются такими же, как условия, исследованные в Таблице 5.

[0062]

[0063] ФИГ. 8А показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и потреблением углерода (кг/тонну чугуна). ФИГ. 8В показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и удельным расходом кокса (кг/тонну чугуна), и взаимосвязь между степенью обогащения кислородом (%) и количеством дутья рециркулируемого газа через обычную фурму (норм.м³/тонну чугуна). ФИГ. 8С показывает взаимосвязь между степенью обогащения кислородом и количеством рециркулируемого газа из колошникового газа (%). В этом случае доменная печь должна действовать при уровне удельного расхода кокса 250 кг/тонну чугуна или менее, но доведением степени обогащения кислородом до 40% можно сократить потребление углерода в доменной печи до около 350 кг/тонну чугуна. Это соответствует снижению приблизительно на 15% относительно времени нормальной эксплуатации согласно Таблице 1.

[0064] Пример 4

В Примере 4 авторы настоящего изобретения исследовали эффект в случае изменения количества COG или природного газа, вдуваемого через обычную фурму в процессе (Условие А+Условие В), и дополнительного нагнетания колошникового газа через обычную фурму без нагревания и повышения степени обогащения дутья кислородом через обычную фурму в процессе «Условие С».

[0065] ФИГ. 9 показывает один пример изменения количества COG, нагнетаемого через обычную фурму в доменную печь, отрегулированную на удельный расход кокса в процессе (Условие А+Условие В) так, что температура чугуна не уменьшается ниже 1520°С, отмеченными в Таблице 1 звездочками параметрами, чтобы обеспечить работу доменной печи в стабильном состоянии. Как показано в ФИГ. 9, когда расход при рециркуляции колошникового газа из шахтной фурмы регулируют на 400 норм.м³/тонну чугуна в Условии В, существенного улучшения в потреблении углерода не наблюдается при количестве вдуваемого через обычную фурму COG на уровне менее 30 норм.м³/тонну чугуна. Это обусловливается тем фактом, что количество вдуваемого через обычную фурму COG является слишком малым, и эффект усиления от рециркуляции Н₂ не может проявляться в достаточной мере. С другой стороны, если количество вдуваемого через обычную фурму COG устанавливают на 30 норм.м³/тонну чугуна или более, потребление углерода может быть значительно улучшено наряду с повышением количества дутья COG.

[0066] Когда степень обогащения кислородом дутья через обычную фурму повышают до 35%, и одновременно делают количество колошникового газа, нагнетаемого через обычную фурму, составляющим 225 норм.м³/тонну чугуна в Условии С, то если количество COG, вдуваемого через обычную фурму, составляет менее 30 норм.м³/тонну чугуна, то таким же образом, как Условие В, нельзя заметить значительного улучшения потребления углерода. Это обусловливается слишком малым количеством дутья, и эффект усиления от рециркуляции Н₂ не может проявляться в достаточной мере. С другой стороны, когда количество вдуваемого через обычную фурму COG устанавливают на 30 норм.м³/тонну чугуна или более, потребление углерода может быть значительно улучшено в процессе (Условие А+Условие В) в соответствии с повышением количества дутья COG. Следует отметить, что в каждом условии чем больше повышается расход, тем больше может быть снижено потребление углерода.

[0067] ФИГ. 10 показывает один пример изменения количества дутья природного газа через обычную фурму в доменную печь, отрегулированную на удельный расход кокса в процессе (Условие А+Условие В) так, что температура чугуна не падает ниже 1520°С, отмеченными в Таблице 1 звездочками параметрами, чтобы обеспечить работу доменной печи в стабильном состоянии. Как в случае нагнетания COG через обычную фурму, когда расход колошникового газа при рециркуляции через шахтную фурму устанавливают на 400 норм.м³/тонну чугуна в Условии В, при удельном расходе природного газа, вдуваемого через обычную фурму, менее 30 норм.м³/тонну чугуна, существенного улучшения в потреблении углерода не наблюдается. Однако, когда повышают степень обогащения кислородом дутья через обычную фурму до 40%, и одновременно доводят количество колошникового газа, вдуваемого через обычную фурму, до 175 норм.м³/тонну чугуна в Условии С, то если количество вдуваемого через обычную фурму природного газа устанавливают на 30 норм.м³/тонну чугуна или более, потребление углерода может быть значительно улучшено наряду с повышением количества дутья. Следует отметить, что количество применяемого природного газа не ограничивается, но вызывает возрастание производственных затрат, так что можно регулировать количество применяемого природного газа в диапазоне, обеспечивающем предварительно заданный эффект.

[0068] Как было разъяснено выше, в будущем, если технология эксплуатации улучшится, и минимальный уровень удельного расхода кокса, который обеспечивает стабильную работу, еще больше снизится, станет возможным более определенно применять настоящее изобретение (для повышения степени обогащения кислородом) и для значительного снижения потребления углерода в доменной печи. Следует отметить, что были разъяснены предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, но настоящее изобретение не ограничивается этими примерами. Специалисту, имеющему обычную квалификацию в технической области, к которой относится настоящее изобретение, будет ясно, что разнообразные изменения или вариации могли бы быть сделаны в пределах технической идеи, описанной в пунктах формулы изобретения. Естественно, они будут пониматься как входящие в техническую область настоящего изобретения.

Промышленная применимость

[0069] Согласно настоящему изобретению, можно создать способ эксплуатации доменной печи, способный снизить выбросы СО₂ и получать жидкий металл в промышленной доменной печи стабильно в течение длительного периода времени.

Реферат

Изобретение относится к способу производства чугуна в доменной печи. Способ включает загрузку железной руды и кокса с верха печи, нагнетание угольной пыли в печь через обычную фурму, вдувание газа, содержащего водород и/или углеводород, через обычную фурму вместе с угольной пылью, удаление диоксида углерода и водяного пара из отходящего с верха печи газа доменной печи с вдуванием полученного газа через шахтную фурму печи и вдувание колошникового газа печи через обычную фурму без его нагревания, при этом дутье обычной фурмы обогащают кислородом, причем обогащение кислородом составляет не менее чем на 10% и не более чем на Y% согласно следующей формуле:Y=0,079×СН+32, где СНобозначает количество метана, об.%, в газе, вдуваемом через обычную фурму. Обеспечивается резкое снижение выбросов СОи стабильное производство чугуна в течение длительного периода времени с использованием промышленной доменной печи. 6 з.п. ф-лы, 10 ил., 6 табл.

Формула