автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Повышение эффективности применения природного газа в доменной плавке

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

' ' и V На правах рукописи

2 2 июн |9зз

ТОРОХОВ Геннадий Валерьевич 1

УДК 669.162.21.001.573

Повышение эффективности применения природного газа в доменной плавке

Специальность 05.16.02 - Металлургия черных металлов

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Диссертационная работа выполнена в Московском Государственном Институт! Стали и Сплавов (Технологическом Университете).

Научный руководитель кандидат технических наук, профессор И.Ф. Курунов

Официальные оппоненты:

доктор технических наук,

профессор В.А. Арутюнов

кандидат технических наук В.А. Шатлов

Ведущее предприятие: АК "Тулачермет"

Защита диссертации состоится "18" июня 1998г. на заседанга диссертационного совета К-053.08.01 в Московском Государственном Институт! Стали и Сплавов по адресу: 117936, Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московской Государственного Института Стали и Сплавов.

Автореферат разослан " " мая 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук,

профессор И.Ф. Курунов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. В настоящее время в России при выплавке чугуна в доменных печах расходуется около 4 миллиардов кубических метров природного газа. На ближайшую перспективу технология выплавки чугуна с применением природного газа останется доминирующей в общем производстве чугуна. Применяемые способы вдувания не обеспечивают полноты сжигания природного газа и достижения максимально возможной эффективности его использования в доменной плавке, что не позволяет дополнительно сэкономить в результате применения этого топлива около 200000т кокса. В связи с этим разработка методов, направленных на обеспечение полноты использования тепловой и химической энергии природного газа при вдувании его в воздушные фурмы доменной печи, и численная оценка их эффективности является актуальным направлением улучшения технико-экономических показателей доменного процесса и рационального использования энергоресурсов в металлургии.

Цель работы. Разработка математической модели и исследование с ее помощью влияния различных способов организации подачи природного газа в воздушные фурмы доменной печи на полноту его окисления. Разработка новых способов вдувания природного газа в фурмы доменной печи с использованием промотирующих добавок, а также повышение эффективности его использования за счето рационального распределения по воздушным фурмам.

Научная новизна. Разработана математическая модель, позволяющая количественно оценивать влияние параметров дутья , природного газа, газокислородной смеси и промотирующих добавок на процесс воспламенения и горения природного газа в воздушной фурме доменной печи.

На основе результатов моделирования дано объяснение влияния на полноту окисления природного газа в фурме и фурменной зоне предварительного смешивания природного газа с кислородом и с ионизированным воздухом. Путем математического моделирования и экспериментально получены новые данные о влиянии на время воспламенения природного газа предварительного смешивания его с ионизированным воздухом.

Разработана методика расчета расхода дутья по фурмам доменной печи на основе измерения параметров природного газа или газокислородной смеси, вдуваемых фурмы, и способ регулирования расхода природного газа по фурмам.

Практическая значимость. Предложены способ предварительного смешивания природного газа с ионизированным сжатым воздухом и способ контроля расхода дутья и регулирования расхода природного газа по фурмам доменной печи, позволяющие существенно повысить эффективность применения природного газа в доменной плавке и, тем самым, повысить ее технико-экономические показатели.

Последний способ в настоящее время внедряется на доменной печи №5 ОАО "Северсталь", которая является самой мощной дроменной печью в России.

Апробация и публикация работы. По материалам диссертации опубликовано 2 статьи, 1 статья принята к печати, получен 1 патент РФ на изобретение и 1 решение о выдаче патента РФ на изобретение. Результаты доложены на международной конференции "Прогрессивные процессы и оборудование металлургического производства" (г. Череповец 17-18 марта 1998г.).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общи; выводов, списка литературы из 75 наименований. Объем диссертации /с'Г стр машинописного текста, кроме того она содержит 21 рисунков, таблиц.

МОДЕЛИРОВАНИЕ РАЗЛИЧНЫХ СПОСОБОВ ПОДАЧИ ГАЗА В ФУРМЫ

ДОМЕННОЙ ПЕЧИ

Эффективность применения природного газа в доменных печах может бып увеличена за счет мер, способствующих завершению окислительного пиролиз; метана в окислительной зоне фурменных очагов.

Проведенный анализ литературных данных показал, что важной задачей пр1 подаче углеводородного топлива в фурмы доменной печи является обеспечение ег< воспламенения в пределах фурмы. Поскольку экспериментальное изучени< влияния различных способов подачи природного газа в фурмы доменньс печей на действующих агрегатах или огневых моделях является очеш трудоемким и дорогим, то для решения данной задачи было решено создан математическую модель, позволяющую адекватно оценивать влияние различны? факторов на поведение струи газа в полости фурмы.

Созданная математическая модель позволяет численно оцекивап

эффективность вдувания только природного газа, его смесей с кислородом I его смесей с промотирующими добавками.

Входными параметрами модели являются расход дутья, расход природногс газа, количество воздушных фурм, и конструкционные параметры воздушны? фурм.

Аэродинамическая часть модели построена на использовании ране« разработанных теорий взаимодействия газовых потоков. Скорость истеченш потока дутья через фурму, также как и газа через сопло, определяется чере: массовый расход газа, который равен:

(1)

где М - массовый расход газа через сопло, кг/с; / - площадь сечения сопла, м2;

к - безразмерный показатель адиабаты (в данном случае к =1.40); р - давление газа до прохождения через сопло, Па; У-удельный объем газа до прохождения через сопло, м3/кг; и-функция отношения давлений.

Линейная скорость определяется из выражения:

где: р - плотность газовой смеси, кг/м3 ;

Глубина проникновения струи в поперечный поток равна:

Л (рХ

— = £ хешах —х — , (3)

а * т (

где Ь - глубина проникновения струи, м;

(1 - диаметр сопла, м;

к, - коэффициент зависящий от шага струй (справоч.); а - угол атаки; - скорость газа, м/с ;

\¥Ь - скорость поперечного потока, м/с ; р% - плотность газа подаваемого в фурмы, кг/м3 ; рь - плотность потока дутья, кг/м3 ;

Диаметр струи на расстоянии И от плоскости выхода струи к самому расстоянию Ь, является величиной постоянной, причем:

сШ=0.75*Ь, (4)

где, сШ - диаметр струи на расстоянии Ь, м;

Поскольку известно, что струя газа практически не смешивается с дутьем и они двигаются параллельными потоками, а также учитывая тот факт, что диаметр струи не изменяется можно считать что природный газ движется как бы в трубе. Исходя из этого сделано допущение о том, что тепло от потока горячего дутья передается и распределяется по объему газа теплопроводностью. Скорость газа по выходу из сопла в полость фурмы принимается равной скорости дутья в фурме.

Количество тепла, передаваемого от потока горячего дутья объему газа за отрезок времени, равно:

(!(}= / * Л * ((Ть - Т)/(с&/2)) * в, (5) где с1<3 - количество тепла передаваемое объему газа за интервал <й, Дж; / - коэффициент теплопроводности, Вт/(м * К); Ть - температура дутья, К;

Т - температура газа, К;

Б - площадь поверхности элемента струи, м2 ;

Коэффициент теплопроводности в данной формуле определяется с учетом турбулентности из выражения:

1=Ср*р*е, (6)

где Ср - теплоемкость при постоянном давлении, кДж/(м3 *К); е - масштаб турбулентности, м2 /с;

Масштаб турбулентности е определяется из эмпирических зависимостей:

—£- = 1.1хЮ-3хЖ0'6 , (7) IV ха

где, RE- критерий Рейнольдса;

Целью моделирования было получение численных значений параметров, которые обеспечивали бы условия воспламенения природного газа в полост» фурмы. Решение поставленной задачи в модели сводится к отслеживании: изменения температуры потока газа по длине фурмы. Для этого время нахождения газа в фурме разбивается на определенное количество равны? интервалов. Выделив объем газа поступающего в фурму за этот интервал определяли изменение его температуры по длине фурмы, и в случае резкогс увеличения температуры (более чем на 20 °С) считали, что произошло воспламенение газа.

Результатами моделирования являются скорости потоков газа и дутья, глубина проникновения струи углеводорода, расстояние до точки взрывногс окисления газа.

При моделировании способа подачи одного природного газа развитие реакции медленного окисления определяется коэффициентом диффузш окислителя в поток движущегося природного газа. Этот коэффициент определяет массовый поток окислителя:

Р х D р

S = —1—~ х erad— , (8)

RxT Р w

где g - массовый шток окислителя, моль/Сем2 *с);

R - универсальная газовая постоянная, Дж/(моль*К);

р - парциальное давление окислителя в газе, Па. Суммарное количество тепла полученное объемом газа будет равно:

dQsum=dQ+dQr, (9)

где, dQsum - суммарное количество тепла полученное газом, Дж;

dQr - количество тепла выделяющееся в результате реакции окисления, Дж;

В результате прихода тепла температура смеси увеличивается. Изменена температуры за интервал времени будет равно:

äT-f^, (10)

Cv х v

где dT - изменение температуры за период времени dt, К; Cv - теплоемкость при постоянном объеме, Дж/(м3 *К); v - объем газа, м3.

Количество тепла, выделяющееся в результате реакции окислени: метана определяется по формуле:

dQr=Qr*w*v*dt, (11)

где: Qr-тепловой эффект реакции, Дж/моль;

w-скорость реакции моль/(см3 *с); v-объем реагирующего газа, м3;

Расчет скорости реакции проводится по схеме предложенной Штерном В.Я.

0.СН4 + 02=>СНЗ + Н02

1.СНЗ + 02=>НСН0 + ОН

2.0Н + СН4=>СНЗ + Н20

З.ОН + НСН0=>Н20 + НСО

4.НСНО + 02=>НС0 + Н02

5.НСО + 02=>С0 + Н02

6.СН4 + Н02=>Н202 + СНЗ

7.НСНО + Н02=>Н202 + НСО

Записывая с учетом этой схемы кинетические уравнения для изменения во времени концентраций радикалов СНЗ, ОН, Н02, НСО и промежуточного продукта формальдегида и применяя для решения полученной системы уравнений метод квазистационарных концентраций, получили следующее выражение для определения скорости окисления метана:

4СЯ4] (К2хК6)05 г , г ,

*=2М*К4х1кт^) • (12)

d[CHA] . з , где: ——--скорость реакции окисления метана, моль/см *с ;

К2,КЗ,К4,К6,К7 - константы скорости реакций 2,3,4,6,7

соответственно, см3/моль *с ;

[СН4] - концентрация метана, моль/см3 ;

[02] - концентрация кислорода, моль/см3 ;

При выводе выражения (12) схема рассматривалась на ранних стадиях реакции, когда концентрация формальдегида мала. Такое допущение позволило пренебречь рассмотрением реакций 3 и 7, что упростило расчет, несильно повлияв на возможную погрешность расчетов.

При моделировании условий окисления углеводородов в присутствии промотарующих добавок (озона) применили ту же схему, что и при окислении кислородом, только при рассмотрении расчетной схемы процессов окисления газокислородной смеси, принимали, что активные центры образуются в основном по реакции 3, поскольку скорость инициирования активных центров по реакции О меньше, чем по реакции 3 в 14000 раз. В случае наличия озона реакция 0 заменяется реакцией CH4+03=CH3+H02 имеющей энергию активации 58.5 кДж/моль против 134.4 кДж/моль реакции 3. Поэтому образование активных цептров будет происходить преимущественно по реакции с участием озона. Кроме того, выражение для суммарного количества тепла дополнительно содержит еще член, учитывающий тепло выделяющееся при разложении озона:

dQsum=dQ+dQr+dQrl, (13) где, dQrl-количество тепла выделившееся при разложении

озона, Дж;

Количество тепла образующиеся при разложении озона определяется п< следующему уравнению:

dQrl=Qrl*wl*v*dt, (26)

где Qrl - тепловой эффект реакции разложения озона, кДж/моль;

wl - скорость реакции разложения озона, моль/(см3 *с);

Скорость разложения озона равна:

wl=1.5*10 *EXP(-24500/R*T)*03, (27)

где: Оз - концентрация озона в смеси, моль/см3;

Эффективность той или иной схемы организации подвода газа оценивал! по возможности воспламенения объема газа в пределах воздушной фурмы определяя расстояние от среза фурмы до точки воспламенения газа. Данные полученные с помощью расчетов представлены на рис. 1-4..

Моделирование подтвердило ранее высказанные утверждения о том, чтх при применяемых расходах природного газа его струя в пределах фурмы н< воспламеняется и процессы его окисления только начинаются. Воспламенешк струи газа в фурме, происходит только при малых расходах природного газ; (рис.1.), что объясняется в данном случае достаточностью времени для нагрев: газа до требуемой температуры. Кроме того при малом расходе струя газа н( обладает большой энергией и поэтому она легко разрушается потоком дутья перемешиваясь при этом с окислителем. Расчеты проводили для интервал: температур дутья от 900 °С до 1200 °С.

Моделирование для случая использования газокислородной смеси показало что уже небольшие добавки кислорода способствуют инициировании воспламенения газа в пределах воздушной фурмы (см.рис.2.). Это связано с тем что даже небольшие добавки кислорода промотируют возникновение метильныэ радикалов СНЗ, наличие которых обеспечивает образование формальдегида промежуточного продукта окисления метана. Расчеты провели также дои интервала температур дутья от 900 °С до 1200 °С. По мере увеличения содержали) кислорода в газокислородной смеси (более 1%), расстояние до точи воспламенения уменьшается, то есть точка воспламенения удаляется i направлении от места подвода газа к срезу фурмы. Это объясняется увеличение!, объема подаваемой смеси, и, как следовательно, увеличением времеш необходимого для нагрева смеси до требуемой температуры.

Как и ожидалось, по результатам моделирования повышение температурь дутья способствует все более раннему воспламенению газа.

Нужно отметить, что в рассматриваемом интервале температу! существуют определенные концентрации Ог в смеси при превышении которыз воспламенение газа в фурме не происходит. Это связано с тем, что с ростов концентрации увеличивается объем газокислородной смеси и, не смотря на то что существуют условия для окисления, реакция горения начаться не может ш причине низкой температуры смеси.

Положение точки воспламенения газа в зависимости от расхода газа

Расход природного газа, % от дуты

Рис .1 .

Цифры у кривых температура дутья

Положение точки воспламенения газа в зависимости от содержать кислорода ь газокислородной смеси

0.38 0.305 0.23 0.15 0.075

\

N.

Оч V X

\1

20 40 60 80 ¡00 Концентрации кислорода в газокислородной смеси, %

-еС

<3"

0.38 0.305 0.23 0.15 0.075

1200

/ 1100

969—

Ш 900_

V

Рис.2.

Цифры у кривых температура, дутья

1 2 3 4 5 Концешращи кислорода в газокислородной смеси, %

Положение точки воспламенения газокислородной смеси в зависимости от степени озонирования кислорода

<2

20 40 60 80 100 Степка озоШфоваЕня,%

-е-

<2. О

0,308 0,305 0,23 0,15 0,075

Л идаЗ

9

1 2 3 4 5 Степень озонирования,%

Рис.3.

Цифры у кривых температура дутья

Положение точки воспламенения газовоздушной смеси в зависимости от степени озонирования воздуха

О О <0 Ю О.

о О

о о

ш т а.

Й

-е-

а

о

0,308 0,305 0,23 0,15 0,075

20 40 60 80 100 Степень озс:шровашм,%

/ ,—

1 2 3 4 5 Степень озонироваши,%

Рис.4.

Результаты проведенных исследований по изучению влияния ионизащи кислорода и воздуха, на условия воспламенения газовой смеси в полости фурш представлены на рис.3,4.. Также как и в предыдущих случаях расчел проводились в интервале температур от 900 °С до 1200 °С. Расчетны зависимости изображены на рис.3, для кислорода, и рис.4, для воздуха. Из ни явствует, что при наличии 20% кислорода в смеси его ионизация не имее смысла, поскольку даже при отсутствии ионизации такая газокислородна смесь воспламеняется в пределах фурмы. Причем по мере увеличени

содержания озона (более 20 %) точка воспламенения, вне зависимости от температуры дутья, находится непосредственно у самого места ввода газовой смеси, влияние температуры в этом случае качественно такое же как и в предыдущих.

При применении смеси газа с ионизированным воздухом (содержание воздуха 30 % от объема смеси) уже при наличии 3 % озона от содержания кислорода в указанном количестве воздуха происходит воспламенение газа во всем диапазоне температур дутья. Дальнейшее повышение содержания озона в смеси способствует все более раннему воспламенению, и по мере приближения к полной ионизации воздуха точка воспламенения газа находится в непосредственной близости от места его подвода. Что касается влияния нагрева дутья на процессы воспламенения, то оно качественно такое же как и для случая подачи газокислородной смеси.

Результаты моделирования, были проверены на действующей доменной печи №1 ОАО "Северсталь", которая оборудована установкой для вдувания газокислородной смеси. Факт воспламенения газа в пределах внутренней полости воздушной фурмы устанавливали по увеличению перепада температур охлаждающей воды на фурме.

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ЗАМЕНЫ

КИСЛОРОДА В ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ ИОНИЗИРОВАННЫМ

ВОЗДУХОМ

Из результатов математического моделирования следует, что даже небольшие добавки озона инициируют процессы окисления метана, что позволяет предположить возможность замены кислорода в газокислородной смеси ионизированным Еоздухом. Это позволит усовершенствовать технологию вдувания в доменные печи газокислородных смесей, с целью повышения ее экономической эффективности поскольку сжатый воздух с учетом затрат на его ионизацию существенно дешевле кислорода высокого давления.

С целью экспериментального подтверждения результатов моделирования об интенсификации процессов окисления за счет активных добавок, в частности озона, на кафедре РТП МГИСиС (ТУ) были проведены опыты по сжиганию углеводородно- воздушных смесей различного состава.

Параметром, по которому оценивалось влияние действия ионизации воздуха на процессы горения была нормальная скорость распространения пламени, поскольку она является физико-химической константой.

Для проведения эксперимента была собрана лабораторная установка схема которой представлена на рис.5.. В качестве горючего газа был использован пропан, из баллона с рабочим давлением 0.42 кПа. Воздух на смешивание подавался от электровоздуходувки производительностью до 5 л/мин. Расход обоих реагентов измерялся анеометрами. Для регулирования расходов в схеме были предусмотрены регулирующие краны.

Смешение воздуха с пропаном осуществлялось в смесителе. Смеситель представлял собой две стеклянные трубки разного диаметра (со стороны подвода воздуха меньшего диаметра) вставленные тангенциально друг в друга, причем трубка обеспечивающая подвод воздуха имела перфорированный конец. Такая

схема смешения газообразных реагентов реализована в промышленных условиях, и позволяет получать равномерные смеси газов. Сжигание газа осуществлялось на горелке, с внутренним диаметром 0.05 м. Ионизацию воздуха осуществляли

А

7

и

8

1-газовый баллон; 2-воздуходувка;3-регулирующие краны;4 - повышающий трансформатор; 5- электроразрядник;6-расходомеры;7-смеситель;8-горелка.

Рис. 5. Схема лабораторной установки

искровым разрядом в разряднике, расстояние межэлектродного промежутка которого составляла 0.2 мм. Напряжение на электроды разрядника подавалось от повышающего трансформатора, марки Б-117А с сопротивлением первичной обмотки 3.07-3.5 Ом, вторичной - 5400-9200 Ом.

Изменение формы и размеров пламени во время эксперимента фиксировали на фотопленку, причем режимы фотографирования были одинаковы для всех этапов проведения опыта.

Сжигание газа осуществлялось в диффузионном режиме, при истечении горючей смеси в затопленное пространство, ограниченное кварцевой трубкой для исключения влияния эжекционного подсоса воздуха на результаты эксперимента. Следует отметить, что такой же характер сжигания природного газа существует при практической его подаче в полость воздушной фурмы. В ходе эксперимента исследовали скорость распространения пламени в смесях содержащих 10, 15, 20, 25 %% воздуха от объема газа. Расход газа во всех случаях поддерживался одинаковым и составлял 5.5 л/мин. Ионизацию воздуха осуществляли искровым разрядом, причем во время исследования каждой из смесей заданного состава напряжение на электродах разрядника поддерживалось 14, 16, 18 кВ. Форму и длину факела фиксировали на фотопленку, с последующим определением площади поверхности горения. Скорость распространения пламени рассчитывали по формуле:

и„=0/(лг^г2 +12)

(13)

где, Ц,- нормальная скорость распространения пламени, м/сек; в - расход газа или смеси, м3/сек; г - радиус горелки, м;

/ - длина факела, м.

Таким образом были определены величины длины факела при различных содержаниях воздуха в смеси и степени озонирования окислителя.

Данные, полученные в результате эксперимента, а именно: длина пламени, скорость распространения пламени, представлены в таб. 1,2.

Как видно, скорость распространения пламени увеличивается при горении смеси газа с воздухом по сравнению со скоростью горения струи одного газа, что согласуется с положением об увеличении скорости горения смеси при приближении её состава к стехиометрическому (скорость распространения пламени в стехиомегрической смеси пропана равна 0.45 м/с).

Таб. 1. Измените длины пламени

Сод-е воздуха в смеси, % Длина пламени, мм

Напряжение на электродах разрядника, кВ 0 14 16 18

10 44,167 41,667 40,00 39,167

15 46,000 45,00 41,667 40,00

20 48,333 48,333 46,667 46,667

25 46,667 46,667 46,667 46,667

Таб.2. Изменение скорости распространения пламени

Сод-е воздуха в смеси, % Скорость распространения пламени, м/сек

Напряжение на электродах разрядника, кВ 0 14 16 18

10 0,144 0,153 0,159 0,163

15 0,144 0,148 0,160 0,167

20 0,144 0,144 0,149 0,149

25 0,155 0,155 0,155 0,155

Скорость распространения пламени определенная для одного пропана составила 0.122 м/сек. Увеличение напряжения подаваемого на электроды разрядника приводит к увеличению скорости распространения пламени. Особенно явно это проявляется для смесей с содержанием воздуха 10 и 15 % (скорость распространения пламени возрастала соответственно на 25-33 %% и 21-37 %% в зависимости от величины напряжения). Для смесей с содержанием воздуха 20 и 25 %% увеличение напряжения на скорость распространения пламени сильно не влияет или не влияет вообще ( для 25 % воздуха в смеси), объясняется ограниченной мощностью разрядника для ощутимой ионизации данных объемов воздуха.

Таким образом, увеличение скорости нормального распространения пламени пропана при его сжигании в смеси с ионизированным воздухом, свидетельствует об интенсификации процессов окисления в пламени. Поскольку процессы окисления пропана и метана имеют сходный характер, то по результатам эксперимента можно утверждать, что влияние добавки ионизированного воздуха к природному газу, вдуваемому в доменную печь, на процессы его окисления будет аналогичным. Это обеспечит в условиях доменной плавки, при ограниченным

времени нахождения природного газа в окислительной зоне (0.005-0.008 сек), полностью ему окислиться пределах фурмы и фурменного очага и, тем самым, повысит эффективность использования природного газа.

ВЛИЯНИЕ ПРИМЕНЕНИЕ ГАЗОКИСЛОРОДНОЙ СМЕСИ НА

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДОМЕННОЙ

ПЛАВКИ

Для оценки эффективности подачи в воздушные фурмы газокислородной смеси (ГКС) на доменных печах №№1,2 АО "Северсталь" были проведены опытные плавки. Влияние вдувания ГКС на технико-экономические показатели работы печей можно оценить с помощью данных представленных в таб.3.

Был рассчитан приведенный расход кокса по отношению к базовым периодам (для обеих печей за базовый период принят XI/96). Используя рассчитанные значения расходов кокса в опытные периоды, оценили изменение коэффициента замены кокса природным газом. Полученные данные показывают, что применение ГКС увеличивает коэффициент замены в среднем на 0.052 кг/м3 для печи №1 и на 0.075 кг/м3 на печи №2. что составляет 7.0 и 10 % соответственно относительно среднестатистической величины для условий работы доменных печей АО "Северсталь" равного 0.73 кг/м3. Тот факт, что, на доменной печи №2 приращение коэффициента замены несколько больше чем на печи №1 можно объяснить более высокой температурой дутья на доменной печи №2. При применении ГКС наблюдалось увеличение степени использования СО, что свидетельствует о положительном влиянии ГКС на восстановительные процессы протекающие в доменной печи, за счет улучшения распределения восстановительных газов по сечению печи при более полном окислении природного газа.

Для достоверной оценки влияния вдувания ГКС на ход доменного процесса, провели дополнительную серию опытных плавок (таб.4.), причем во время эксперимента печи работали с чередованием периодов с применением ГКС и без нее. Полученные данные были обработаны методом пофакторного анализа. Как видно приведенный расхода кокса уменьшался в периоды с применением ГКС по сравнению с периодами без использования таковой на обеих печах, за исключение одного случая. В среднем же, для печи №1 расход кокса составил 402 кг/т при использовании ГКС против 411 кг/т при традиционной схеме подачи природного газа, а для печи № 2 - 418 кг/т и 426 кг/т, соответственно. Применение ПСС позволило снизить расход кокса на 8-9 кг/т. Снижение расхода кокса достигнуто за счет повышения коэффициента замены кокса природным , которое составило 0.076 кг/м3 и 0.066 кг/м3 для печей №№ 1 и 2 соответственно, или 8-10% по отношению к среднестатистическому значению на доменных печах на АО "Северсталь".

Таким образом практически под тверждена целесообразность применения технологии предварительного смешивания природного газа с кислородом перед подачей их в горн доменной печи.

Таблица 3. Показатели работы доменных печей №№1,2.

Показатели работы печей Периоды работы печей

Доменная печь №1 Доменная печь №2

ХДО6 1/97 12/1114/11/97 16Л1-19Л1/97 Х1/96 1Л- 7/1/97 8Л-31 Л/97 1Л1-6Л1/97 8Л1-13/11/97 15Л1-16/П/97 18Л1-28Л1/97

Длительность периода, сут 30 31 3 4 30 7 24 6 6 2 11

Производство за период т 89480 89225 8462 10946 92992 20579 67913 15667 15516 5148 30274

Производительность, т/суг 2980 2878 2821 2737 3100 2940 2830 2671 2580 2574 2752

Содержание Ре металлопшхте, % 59,3 59,0 59,0 59,0 59,30 59,2 59.2 58,9 58,90 58,90 58,90

Дутье: Температура, °С Влажность, г/м3 Содержание 02, % 1109 1109 1112 1113 1183 1191 1178 1192 1123 1175 1159

7,30 7,50 7,50 7,60 7,10 5,50 5.40 5,00 5,05 5,20 5,00

31,06 26,23 25,60 25,30 29,64 27,70 26.50 26,60 26,80 26,00 26,60

Избыт, давл. кол. Газа, кПа 148 137 147 139 150 149 145 120 140 147 137

Температура кол. Газа, °С 126 120 112 124 141 136 154 134 136 165 116

Состав, % СО С02 н2 24,10 22,40 23,40 22.35 25,70 24,13 23.7 22,90 23,40 22,10 23,69

22,0 20,53 21,60 21,80 21,50 20,38 20.98 20,43 20,45 19,65 20,97

10,40 8,95 9,15 8,95 10,80 8,36 8.25 8,63 9,39 »,30 8,48

Степень использования СО,% 47.72 47.82 48.00 49.38 45.56 45.78 46.95 47.15 46.63 47.07 46.95

Состав чугуна, % 51 Мп Р 0,43 0,45 0,39 0,48 0,48 0,52 0.47 0,52 0,43 0,48 0,51

0,32 0,34 0,33 0,32 0,31 0,32 0.32 0,34 0,35 0,33 045

0,058 0,058 0,061 0,058 0,057 0,056 0.058 0,065 0,063 0,060 0,059

0,014 0,012 0,015 0,016 0,016 0,014 0.017 0,014 0,013 0,013 0,020

Агломерат, кг/т 1010 1050 1018 1013 1041 1127 1039 1089 1116 1067 1046

Окатыши, кг/т 492 512 486 528 510 428 500 478 466 529 461

Руда, кг/т 48 63 86 79 59 67 57 64 90 75 42

Конверторный шлак, кг/т 33 39 36 33 п 29 31 41 38 30 32

Кокс сухой, кг/т 399 426 406 409 409 417 418 429 425 430 419

Природный газ, м3/г 134 120 118 119 134 108 110 111 130 119 104

Содержание кислорода в газо- кислордной смеси, % 10 20 15 5 10 10 18 10 15

Приведенный расход кокса, кг/т 396 389 393 399 402 396 396 405 404

Изменение коэффициента замены кокса природным газом, кг/м3 +0.025 +0.08 +0.05 +0,09 +0.06 +0,12 +0,10 +0,03 +0,05

Таб.4 .Показатели работы доменных печей №№ 1,2

Доменка» печь №1 Доменная печь № 2

Показатели работы печи Периоды работы печи, 1997г.

I II III IV V VI VII I П III IV V VI VII

1.03- 1.04- 24.04- 7.05- 20.05- 3.06- 22.06- 5.04- 24.04- 14.05- 19.05- 3.06- 5.06- 7.06-

3.03 22.04 4.05 18.05 2.06 20.06 30.06 23.04 13.05 18.05 2.06 4.06 6.06 9.06

Длительность периода, сут 3 22 11 12 14 18 7 18 20 5 2 2 2 3

Производство за период, т 8357 58408 31076 30012 39822 41899 16592 51586 56526 13347 43272 5810 5930 8453

Содержание Ре металлошихте, % 59,16 58,75 58,88 58,63 58,45 59,27 59.17 58,98 58,98 58,40 58,58 59.30 59,32 59.65

Дутье: Температура, °С 1123 1100 1106 1097 1122 1115 1092 1194 1193 1187 1178 1200 1200 1200

Влажность, г/м3 7,50 7,50 7,50 7,50 7,50 7,50 7.50 6,67 8,10 8,22 6,98 9,25 8,10 9.03

Содержание Ог, % 26,98 26,09 25,10 24,97 25,26 23,87 23.69 27,12 25,16 25,10 26,49 27,50 27,50 25.87

Избыт. Давл. Кол. газа, кПа 1.47 1.44 1.36 1.43 1.42 1.43 1.12 1.44 1.46 1.40 1.44 1.27 1.50 1.50

Температура кол. газа, С 128 152 127 154 144 178 201 146 177 176 185 146 171 161

Состав, % СО 24,13 21,80 21,83 21,40 22,79 21,95 21.54 22,99 22,52 22,88 22,45 23,80 23,50 23.27

СОз 22,0 20,17 21,53 19,90 20,81 19,79 19.27 20.94 20,53 20,52 20,27 22,05 20.30 21.37

н2 8,67 9,59 8,19 8,34 9,57 9,21 10.14 9,65 7.83 8,74 9,08 10.35 9,30 9.37

Степень использования СО,% 47.7 48.9 49.6 48.2 47.7 47.4 47.2 47.7 47.7 47.3 47.4 48.1 46.4 47.9

Степень использования Н2 40.9 18.2 39.2 31.0 36.4 17.6 15.0 41.0 39.5 39.2 44.4 34.4 36.5 36.5

Состав чугуна, % 0,54 0,45 0,39 0,48 0,48 0,52 0.43 0,51 0,52 0,61 0,51 0,47 0,48 0.58

Мп 0,39 0,34 0,33 0,32 0,31 0,32 0.38 0,37 0,38 0,38 0,38 0,35 0,37 0.41

Р 0,064 0,058 0,061 0,058 0,057 0,056 0.061 0,059 0,062 0,061 0,062 0,058 0,056 0.063

Б 0,014 0,012 0,015 0,016 0,016 0,014 0.014 0,015 0,013 0,011 0,013 0,024 0,009 J 0.010

Агломерат, кг/т 1077 1050 1018 1013 1041 1127 992 1077 1081 1080 1120 1042 1125 1121

Окатыши, кг/т 464 512 486 528 510 428 534 510 442 481 404 582 457 452

Руда, кг/т 65 63 86 79 59 67 29 34 29 25 36 22 25 43

Конверторный шлак, кг/т 36 39 36 33 32 29 41 32 28 37 33 35 18 35

Кокс сухой, кг/т 430 398 405 404 416 424 410 416 413 409 406 418 419 418

Природный газ, м3/т 106 122 105 107 122 112 108 130 122 119 129 129 126 124

Содержание кислорода в газо-кислордаой смеси, % 10 0 20 0 17.3 0 9 20 0 13 0 17.5 0 14.5

Приведенный расход кокса с уче 396 401 394 412 397 419 422 412 421 428 431 412 427 420

том поправки на баланс Ие, кг/т

ИССЛЕДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ДУТЬЯ И ПРИРОДНОГО ГАЗА ПО ФУРМАМ ПЕЧИ БОЛЬШОГО ОБЪЕМА.

Доменная печь №5 АО "Северсталь" имеет объем 5580 м и является одной из крупнейших доменных печей в мире. На датой печи, также как и на большинстве других, осуществлена схема одностороннего подвода дутья, и ввод дутья в кольцевой трубопровод осуществляется через две точки, расположенные ограниченном секторе - между 1-й и 4-й леткой.

Проведенные исследования перед задувкой на пустой печи после ремонта 1-го разряда показали, что дутьё распределяется по фурмам неравномерно, причем отклонения от среднего значения расхода дутья на отдельных фурмах составляли до 30%.

Такая неравномерность распределения дутья по фурмам на пустой печи объясняется схемой подвода дутья и позволяет предположить, что при работе печи в реальных условиях неравномерность будет еще большей, поскольку на расход дутья на отдельных фурмах будут накладываться факторы окружной неравномерности загрузки печи, графика отработки продуктов плавки, теплового состояния горна по окружности, различия в аэродинамическом состоянии фурменных очагов и другие неконтролируемые факторы.

Для возможности надежного определения расхода дутья иа каждой фурмы в темпе с процессом был разработан способ основанный на пьезометрическом определении давления в полости воздушного прибора. Для этого дополнительно с существующим измерением расхода газообразного топлива иа каждой фурме определяют давление газа в на входе в фурму. Давление дутья на каждой фурме вычисляют из уравнения:

G = /x.

2хкхр1хр1 ^ м 2 к ífi.1 к Jfc+1

(к-1) W W

(14)

где, в - расход газообразного топлива на фурму, кг/сек;

£ - площадь поперечного сечения трубопровода для подвода газообразного топлива к фурме, м2;

к - показатель адиабаты газообразного топлива; Р1 .давление газообразного топлива в трубопроводе перед фурмой, Па; р1 - плотность газообразного топлива, кг/м3; Рг - давление дутья в фурме, Па. Поскольку точного решения уравнения (14) не существует, то вычисление этой величины производится с заданной точностью на компьютере с использованием численных методов (например метод Ньютона).

После определения давления дутья в фурме вычисляют его расход как функцию давления.

Данный способ определения расхода дутья по фурмам и схема регулирования природного газа в настоящее время реализуется на доменной печи №5 АО "Северсталь".

Для оценки величины отклонений расходов дутья по воздушным фурмам, с использованием предложенной методики проведен ряд расчетов, в

которых определение величины давления углеводородного топлива на вводе 1 фурму осуществляли расчетным путем (поскольку еще не были готовы узль отбора давления). Расчет представлял собой последовательное вычислени< величины потерь давления на запорных устройствах и другой газовой арматуре Вычисленные таким образом отклонения от среднего значения в расходах дутья I природного газа представлены на рис.5.. Как видно из представленной диаграммь дутьё по фурмам распределяется крайне неравномерно, причем отклонения О' среднего значения на отдельных фурмах достигают от -30% до +60%. Природныз газ же распределен по фурмам более равномерно, что связано с еп принудительным распределением по фурмам доменной печи. Данное положение н< может не отразится на равномерности тепловой и газодинамической работе низ; доменной печи.

Так вычисленные значения теоретической температуры горенм свидетельствуют, что данное не пропорциональное по отношению к расходу дуты на фурмах распределение природного газа приводит к значительным колебания* последней (рис.6.). Отклонение по абсолютной величине значения теоретическое температуры горения составляет до 300 °С. Это приводит к неравномерной работ* доменной печи по окружности вследствие неравномерности состава, количества I температуры фурменных газов в отдельных фурменных очагах.

Проанализировав данные о распределении дутья и природного газа п< фурмам предварительно сгруппировав их по геометрическому расположении относительно чугунных лёток и затем сопоставив с данными об отклонениях о' среднего значения содержания кремния в чугуне, установили, что нерегулируемо' распределение дутья по фурмам и несвязанное с ним распределение природноп газа значительно влияет на тепловую работу низа печи. Содержание кремния ] чугуне по лёткам согласуется с отклонением от средних значений расходо) газообразных реагентов подаваемых в доменную печь, что косвенш свидетельствует о правильности определения расходов дутья.

Аналогичные исследования повторили после капитального ремонта 3-г( разряда доменной печи №5 осенью 1997г.. При этом рассмотрели влияю« неравномерности в расходах дутья и природного газа на температур; колошникового периферийного газа.

Параметры комбинированного дутья на фурмах были сгруппированы 1 соответствии с геометрическим положением фурм относительно положеню периферийных термопар и термопар колошникового газа. Полученные результата показывают, что измеренные параметры газового потока находятся в тесно» соответствии с расчетными величинами расходов дутья и измеренными расходам) природного газа по фурмам доменной печи. Результаты определения расходо! дутья по фурмам по предложенному способу были сопоставлены с результатам! расчетов расходов дутья по фурмам по данным измерения теплосъема в систем! водяного охлаждения головки сопла фурменного прибора. Отклоненш результатов определения расходов дутья по фурмам: полученных по дву» методикам, не превысили 5 %.

Таким образом, проведенные исследования подтвердили возможност] определения расходов дутья по предложенному способу и доказали достоверное^ полученных расчетным путем расходов дутья. Предложенный спосо< распределения природного газа по фурмам доменной печи пропорционалык

Отклонение от средних значений расходов дутья и природного газа доменной печи №5 АО

"Северсталь"

10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Номера фурм Рис.5.

□ отклонение расхода дутья пофурмам Иотлонение расхода природного газа по фурмам

66666666666604663566666666666666666666666673

Изменение теоретической температуры горениея по фурмам доменной печи №5

2300 т

2250

Й-

8 2150 -

<л

& . га

в 2100 -з

и н

5

8 2050 -

£

н 2000 -

1950

1900 -И-М-^-Ч-1-1 I 1 1 I '-Ч I I и I и I I 1 I '-Ч-1 I I I. I ^.и | I I , 1-1 [ И , I ).ы , М | 1..1 | 1 | I I | I ^Ы I I I I I I [

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32

Номера форм Рис. 6.

расходу дутья позволит более эффективно использовать природный газ в доменной плавке, особенно на печах большого объема. Проведенные аэродинамические расчеты свидетельствуют о том, что при существующем перепадах давлений между давлением дутья и давлением природного газа внешняя граница струи газа в фурму не проникает больше чем на 6 см. Причем максимального значения этот показатель достигает на расстоянии 33-34 см от точки ввода газа в воздушную фурму. Это свидетельствует о том, что в существующих условиях на доменной печи №5 не происходит полного смешения природного газа с потоком дутья природный газ полностью не окисляется. Следовательно повышения эффективности применения природного газа на печах большого объема следует рекомендовать технологию вдувания газокислородной смеси.

ВЫВОДЫ

По результатам работы были сделаны следующие выводы:

1. Разработана модель поведения струи природного газа в полости воздушной фурмы при различных способах его подачи. По результатам моделирования установлено, что при вдувании больших расходов природного газа в фурму по традиционной схеме объемного воспламенения его в пределах воздушной фурмы не происходит. При относительно низких его расходах (< 3% от расходах дутья ) природный газ воспламеняется в пределах фурмы. Смешивание природного газа с кислородом перед подачей его в печь способствует воспламенению газа в пределах фурмы даже при небольших концентрациях Ог в смеси. Результаты моделирования экспериментально подтверждены на доменной печи №1 ОАО "Северсталь".

2. Путем математического моделирования исследовано влияние активных добавок (озона) на процессы воспламенения струи природного газа в пределах фурмы. Установлено, что смешивание природного газа с ионизированным воздухом, содержащим в своем объеме 0.6% озона, способствует воспламенению газа в полости воздушной фурмы.

3. Проведены экспериментальные исследования по влиянию активных добавок на процессы горения углеводородного топлива. Результаты экспериментальных исследований подтвердили результаты математического моделирования по интенсификации горения топлива при его смешении с ионизированным воздухом. Установлено, что предварительное смешивание пропана с ионизированным воздухом увеличивает нормальную скорость распространения пламени на 25-37% в зависимости от степени ионизации воздуха. Это позволяет предложить замену дорогостоящего кислорода в технологии ГКС на сжатый ионизированный воздух.

4. Проведен анализ работы доменных печей №1 и №2 АО "Северсталь" при работе с вдуванием в горн ГКС. По результатам опытных плавок было установлено, что применение ГКС положительно влияет на ход восстановительных процессов происходящих в печи, что проявляется в повышении степени использования СО. Коэффициент замены кокса природным газом в случае применения ГКС увеличился на 7-10%. Экономия кокса в результате применения данной технологии составила 8-9 кг/т чугуна.

5. Предложен способ определения расходов дутья и регулирования расходо: природного газа по фурмам доменной печи. С помощью предложенного способ исследовано распределения дутья по фурмам на доменной печи большого объема Установлено что, дутье распределяется по фурмам крайне неравномернс отклонения от среднего значения достигают от -30% до +60%. При этом разница значениях теоретической температуры горения в фурменных очагах достигает 30* °С, что приводит к неравномерной по окружности работе горна доменной печи 1 проявляется в колебаниях содержания кремния по леткам. Повысит эффективность применения природного газа в доменных печах возможно за сче распределения его по фурмам в зависимости от расхода дутья на них. Предложе новый способ реализации такой схемы.

6. Исследованы особенности аэродинамики взаимодействия стру] природного газа с потоком дутья на печах большого объема. Результат! исследования показывают, что в существующих условиях не обеспечиваете удовлетворительное смешивание струи природного газа с потоком дуть« Максимальное положение внешней границы струи природного газа (в направлени к оси фурмы) при периферийном его подводе не превышает 6см, приче! максимального значения эта точка достигает на расстоянии 33-34 см от места ввод топлива, что соизмеримо с длинной фурмы. Это свидетельствует о необходимост применения ГКС на печах большого объема для повышения эффсктивност: использования природного газа.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1.Торохов Г.В., Курунов И.Ф., Корнев В.К., К вопросу о эффективности вдувания в доменные печи газо-кислородно смеси//Сталь. 1996.№5.

2.Липухин Ю.В., Логинов В.Н., Курунов И.Ф., Торохов Г.В., Корне В.К., Работа доменных печей с вдуванием в горн газо-кислородно смеси//Сталь. 1998.№2.

3.Торохов Г.В., Курунов И.Ф., О возможности замены кислорода газо-кнслородной смеси ионизированным воздухом/УПринята к печати в я Известия ВУЗов. Черная металлургия. 1998. №9.

4.Курунов И.Ф., Торохов Г.В., Корнев В.К., Доброскок В.А., Спосо подачи природного газа в фурмы доменной печи. Патент РФ №2061053. Заявле: 31.05.94, опубликован 27.05.96 Бюл. № 15.

5.3ахаров А.В., Логинов В.Н., Курунов И.Ф., Торохов Г.В., Нетрони В.И., Васильев А.П., Способ регулирования расхода газообразного топлива п фурмам доменной печи. Заявка на патент РФ № 97-117069 от 8.07.1997. Решение выдаче патента от 22.01.1998г..