способ горячей продувки доменной печи

Формула изобретения

1. Способ горячей продувки доменной печи, включающий создание воздушного дутья, имеющего определенную скорость и определенную температуру, введение в поток воздушного дутья топлива и струи кислорода, сжигание топлива с кислородом для получения горячей струи дутья и введение горячей струи дутья в доменную печь, отличающийся тем, что струю кислорода вводят в поток воздушного дутья со скоростью, превышающей скорость потока воздушного дутья, и температурой, превышающей температуру воздушного дутья, а сжигание топлива с кислородом осуществляют внутри потока воздушного дутья.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве топлива используют уголь.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что температура струи кислорода находится в интервале от 1200 до 1650^oС.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что скорость струи кислорода составляет, по меньшей мере, половину скорости звука.

5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что скорость струи кислорода, по меньшей мере, в 1,5 раза выше скорости потока воздушного дутья.

6. Способ по п.1, отличающийся тем, что струю кислорода вводят с определенным исходным диаметром в поток воздушного дутья на расстоянии от места ввода топлива в поток воздушного дутья, равном от 5 до 50 от исходного диаметра струи кислорода.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, а именно к эксплуатации доменных печей, в частности доменных печей, в которых поток воздушного дутья обогащают кислородом.

Доменные печи являются основным источником чугуна высокой чистоты при промышленном производстве стали. Чугун высокой чистоты нужен для производства высококачественных сталей, которые должны иметь минимальное содержание вредных элементов, подобных меди, химическое удаление которых из стали затруднено. Доменные печи используют также для производства других металлов, например ферромарганца и свинца.

Основным топливом и источником восстановительного газа, потребляемого в доменных печах, в металлургии традиционно является кокс. Кокс, флюсы и руду, например железную руду, загружают послойно сверху печи, а снизу печи осуществляют горячее воздушное дутье. Воздух реагирует с коксом, выделяя тепло для процесса выплавки и восстановительный газ, который подогревает кокс, флюсы и руду и превращает железную руду в чугун, который течет через печь. Газ выходит сверху печи и частично используется для предварительного нагрева воздушного дутья.

Металлургический кокс получают посредством нагрева угля в отсутствии воздуха при удалении из угля наиболее летучих компонентов. Многие из летучих компонентов представляют опасность для окружающей среды и здоровья, и в последние годы началось ограничение коксового производства определенными рамками. Затраты на выполнение норм этих ограничений повышают расходы на производство кокса и капиталовложения, необходимые для нового оборудования в коксовом производстве. В результате, производство кокса сокращается, а цены растут. Эти факторы заставляют специалистов доменного производства уменьшать используемое количество кокса и вводить в печь в качестве заменителя кокса большие количества альтернативного топлива, полученного из полезных ископаемых, вместе с воздушным дутьем. Основными из всех видов топлива, полученного из полезных ископаемых, которые вводят в печь, чаще всего является пылевидный уголь, гранулированный уголь и природный газ. Пылевидный и гранулированный уголь являются более предпочтительными по экономическим причинам.

Кокс подогревается восстановительным газом по мере того, как газ поднимается в печи. В отличие от этого альтернативные топлива, полученные из полезных ископаемых, вводят при температуре окружающей среды. Таким образом, добавление такого топлива в воздушное дутье увеличивает тепловую нагрузку на печь, чего не происходит, когда в качестве топлива используют только кокс. Специалисты доменного производства решают эту проблему посредством обогащения воздушного дутья кислородом, и это дает некоторые преимущества. Однако даже при введении кислорода эксплуатация доменной печи при повышенных уровнях инжекции топлива, полученного из полезных ископаемых, не достигает цели, поскольку проблемы эксплуатации доменной печи связаны с плохим или неполным сгоранием вводимых видов топлива, полученного из полезных ископаемых.

Известен способ горячей продувки доменной печи, включающий создание воздушного дутья, имеющего определенную скорость и определенную температуру, введение в поток воздушного дутья топлива и струи кислорода, сжигание топлива с кислородом для получения горячей струи дутья и введение горячей струи дутья в доменную печь (патент Великобритании 1415594, С 21 В 5/00, 26.11.1975).

Задачей изобретения является создание способа воздушного дутья с топливом и кислородом для последующего введения в доменную печь, который позволяет улучшить работу доменной печи.

Указанная задача и другие задачи, которые станут понятны специалистам в данной области техники при ознакомлении с описанием изобретения, решаются способом горячей продувки доменной печи, включающем создание потока воздушного дутья, имеющего определенную скорость и определенную температуру воздушного дутья, введение топлива в поток воздушного дутья, введение в поток воздушного дутья струи кислорода, имеющей скорость, которая превышает скорость потока воздушного дутья, и температуру, которая превышает температуру воздушного дутья, сжигание топлива с кислородом внутри струи воздушного дутья для получения горячей струи дутья и введение горячей струи дутья в доменную печь.

Термин "кислород", как он использован здесь, означает среду, имеющую концентрацию кислорода по меньшей мере 50 мольных процентов.

Термином "доменная печь", используемым здесь, обозначается высокая печь шахтного типа с вертикальной шахтой печи, установленной над тиглеподобным подом и используемой для снижения количества окислов в расплавленном металле.

На фиг. 1 представлена упрощенная схема, которую можно использовать на практике для реализации способа согласно изобретению;

фиг. 2 - более подробно поперечное сечение предпочтительной системы введения топлива и кислорода в поток воздушного дутья выше по ходу потока в доменной печи;

фиг. 3-5 графически показывают результаты, полученные при использовании на практике изобретения, и, для сравнения, результаты, полученные по общепринятой производственной практике.

Способ согласно изобретению позволяет улучшить условия воспламенения и сгорания топлива за счет образования зоны высокой температуры и высокой концентрации кислорода внутри потока воздушного дутья. Ниже изобретение описывается более подробно со ссылками на чертежи.

Как следует из фиг. 1 воздух 1 из окружающей среды нагревают путем пропускания его через нагреватель 2 и подают в виде потока 3 воздушного дутья, имеющего скорость, как правило, в диапазоне от 125 до 275 метров в секунду (м/сек) и температуру, как правило, в интервале от 870 до 1320^oC. Поток воздушного дутья проходит по каналу для потока дутья, который связан с фурмой, расположенной внутри печи на боковой стенке доменной печи.

Топливо 4 добавляют в поток воздушного дутья либо в канал для дутья, либо в фурму. Топливом может быть любое эффективное топливо, которое сгорает в кислороде. К таким топливам можно отнести уголь, например пылевидный, гранулированный или порошковый уголь, природный газ или топливный печной газ. Предпочтительными топливами являются пылевидный, гранулированный или порошковый уголь.

Струю кислорода 5 вводят в поток воздушного дутья либо через канал для дутья, либо через фурму. Струя кислорода имеет концентрацию кислорода по меньшей мере 50 мольных процентов и может иметь концентрацию кислорода 85 мольных процентов и более. Струя кислорода имеет скорость, которая превышает скорость потока 3 воздушного дутья, предпочтительно имеет скорость, которая, по меньшей мере, в 1,5 раза выше, чем скорость воздушного дутья. Скорость струи кислорода, как правило, находится в диапазоне от 350 до 850 м/сек. Предпочтительно, скорость струи кислорода составляет, по меньшей мере, половину скорости звука. Скорость звука, например, составляет, приблизительно 780 м/сек при 1370^oC и, приблизительно, 850 м/сек при 1650^oC. Струя кислорода имеет температуру, которая превышает температуру потока 3 воздушного дутья и, как правило, находится в интервале от 1200 до 1650^oC. Согласно настоящему изобретению для получения заданной струи горячего кислорода подходит любое средство. Особенно предпочтительным способом генерирования заданной горячей струи кислорода согласно настоящему изобретению является способ, описанный в патенте США 5266026.

На фиг. 2 более подробно показан вариант подачи топлива и горячего кислорода в поток воздушного дутья. Как показано на фиг. 2, поток 3 воздушного дутья течет внутри канала 6 для дутья, который соединен с фурмой, расположенной на боковой стенке внутри доменной печи. На практике по периметру доменной печи может быть расположено несколько фурм, и в этом случае по одной или нескольким таким фурмам можно подавать поток дутья, генерируемый в доменной печи по технологии согласно настоящему изобретению. Топливо, например, пылевидный, порошковый или гранулированный уголь, подают в поток 3 воздушного дутья внутри канала 6 для дутья через фурму 8 для топлива, а горячий кислород подают в поток 3 воздушного дутья внутри канала 6 для дутья через кислородную фурму 9.

Высокая скорость и, следовательно, высокий момент количества движения струи горячего кислорода вызывают интенсивное перемешивание, при котором происходит смешивание или введение топлива внутрь струи. Более того, высокая температура струи кислорода приводит к быстрому удалению летучих компонентов, если они содержатся в топливе. Благодаря высокой температуре струи горячего кислорода по существу нет необходимости в дополнительном перемешивании потока кислородного дутья для инициирования горения топлива. С другой стороны, если струя кислорода вводится при температуре окружающей среды или близкой к этой температуре, необходимо перемешивание с потоком воздушного дутья для получения достаточного количества тепла, чтобы воспламенить топливо. Это смешивание с воздушным потоком будет понижать концентрацию кислорода в струе кислорода, что вредит воспламенению и сгоранию. Таким образом, способ согласно изобретению эффективно использует вводимый кислород для улучшения сгорания путем создания условий, при которых воспламенение происходит в условиях более высоких локальных концентраций кислорода. Способ согласно изобретению облегчает решение производственных проблем, связанных с плохим или неполным сгоранием вводимого топлива, который позволяет сократить скорость введения топлива, полученного из полезных ископаемых, при традиционной эксплуатации доменных печей.

Предпочтительно, чтобы фурма для подачи горячего кислорода проходила через стенку канала для дутья под углом, равным или близким к углу фурмы для подачи топлива, и чтобы наконечник фурмы для горячего кислорода был расположен так, чтобы струя кислорода пересекала поток топлива как можно ближе к наконечнику фурмы для топлива. Расстояние между наконечниками двух фурм может колебаться приблизительно от 5 до 50-кратной величины наружного диаметра кислородного сопла, который определяет внутренний диаметр струи кислорода. Чем больше расстояние, тем более высокий момент количества движения возникает, способствуя смешиванию, но что может вызвать перегрев фурмы для топлива. Увеличенные расстояния могут привести в результате к чрезмерному разбавлению и охлаждению потока горячего кислорода воздухом. Однако в упомянутом диапазоне расстояний наконечник кислородной фурмы можно располагать заподлицо со стенкой канала для дутья, обеспечивая защиту от воздушного дутья и потенциально увеличивая срок службы фурмы. Благодаря высокой скорости и высокому моменту количества движения струя горячего кислорода будет способна проникать сквозь поток воздушного дутья и смешиваться с вводимым топливом.

При сгорании топлива в горячем кислороде внутри потока воздушного дутья возникает поток 10 горячего дутья. Если теперь обратиться к фиг. 1, то этот поток 10 горячего дутья поступает в доменную печь 11 и используется для генерирования тепла и восстановительного газа внутри печи. Отработанный газ удаляют из доменной печи 11 в отходящем потоке 12.

Приведенные ниже примеры представлены для дополнительной иллюстрации изобретения и для сравнения, чтобы продемонстрировать преимущества изобретения. Они не вносят никаких ограничений.

Фиг. 3 и 4 иллюстрируют в графической форме результаты полного сгорания, высвобождение летучих веществ (VM) и сгорание химически связанного углерода (FC) для четырех вариантов, изученных в экспериментальном канале для дутья: (1) - Исходный, в котором кислород не подавали в поток воздушного дутья, (2) - Обогащенный, в котором кислород подавали выше по ходу потока относительно нагревателя воздуха для дутья при температуре окружающей среды. (3) - Холодный ввод, в котором кислород вводят в поток воздушного дутья подобно тому, как показано на фиг. 2, но при температуре окружающей среды и (4) - Горячий ввод, в котором использовали способ по настоящему изобретению подобно тому, как показано на фиг. 2. В каждом случае поток воздушного дутья имел скорость 160 м/сек и температуру потока воздуха 900^oC. Топливо представляло собой пылевидный уголь с высоким содержанием летучих веществ того сорта, который обычно используют при эксплуатации промышленных доменных печей, и имел по результатам анализа состав, приведенный в таблице. Топливо подавали в поток воздушного дутья при двух расходах потока - 7,5 килограммов в час (кг/час), результаты показаны на фиг. 3, и при 9,5 кг/час, результаты показаны на фиг. 4.

Обугленные вещества собирали путем охлаждения водой потока на расстоянии 0,75 м ниже по ходу потока относительно места ввода угля. Долю полностью сгоревшего угля, Т, определяли посредством химического анализа содержания в золе исходного угля, A₀, а содержание в золе собранного обугленного вещества, A₁, в соответствии с выражением



Выход летучих веществ, R, и количество сгоревшего химически связанного углерода. C, определяли из химического анализа золы, летучих веществ (V₀) и химически связанного углерода (F₀) в угле, и золы, летучих веществ (V₁) и химически связанного углерода (F₁) в обугленном веществе в соответствии с выражениями





После использования кислорода 3,7 Нм³/час расхода воздуха заменили кислородом. В ходе данного варианта испытаний воздух и кислород смешивали при температуре окружающей среды, воздух нагревали до 900^oC для того, чтобы полный расход газа, скорость и температура были одинаковы с исходным вариантом. В ходе испытаний при температуре окружающей среды использовали воздух для дутья с расходом 93,7 Нм³/час при температуре 900^oC, а кислород вводили через фурму для кислорода при расходе 3,7 Нм³/час. Полный расход потока газа был такой же, как в исходном варианте, тогда как температура была ниже, поскольку добавляемый кислород не был подогрет. Скорость кислорода при температуре окружающей среды на выходе из сопла была 60 м/сек, или 0,375 кратной от скорости потока воздушного дутья. Кислород для испытания при температуре окружающей среды имел чистоту около 99,99%. При испытании с вводом горячего кислорода условия были такими же, за исключением того, что кислород получали с использованием способа, описанного в патенте США N 5266024, и вводили в поток воздушного дутья из фурмы для горячего кислорода, для подачи горячего кислорода при 1565^oC со скоростью около 375 м/сек, или 2,34-кратным от скорости воздуха. В этом варианте концентрация кислорода была приблизительно 80% мольн.

На фиг. 3 и 4 приведено сравнение полного сгорания, выхода летучих веществ и полного сгорания химически связанного углерода для каждого варианта испытания при скоростях ввода угля 7,5 кг/час и 9,5 кг/час, соответственно. Как видно из результатов, показанных на фиг. 3 и 4, при использовании горячего кислорода получаются существенно более высокие рабочие характеристики для каждой категории. Действительно, полное сгорание при введении угля с расходом 9,5 кг/час с горячим кислородом было более высоким, чем в любом из других вариантов при расходе 7,5 кг/час, что доказывает преимущества ввода угля при использовании горячего кислорода.

Любые обугленные вещества, которые не сгорели в канале для дутья/фурме, поступают в печь и сгорают вместе с коксом. Если обугленные вещества недостаточно реакционноспособны, то они могут попасть в печь и закупорить слой руды/кокса. Были проведены дополнительные испытания с собранными обугленными веществами для определения их реакционной способности в условиях печи. Образцы обугленных веществ подвергали воздействию температуры 1700^oC в термогравиметрическом анализаторе при атмосферах, содержащих 2% и 5% кислорода, остальное - азот, содержащий 10% двуокиси углерода. Реакционную способность измеряли посредством скорости потери веса обугленных веществ. На фиг. 5 показаны результаты для обугленных веществ, собранных в каждом варианте испытаний, и при испытании образцов кокса возле фурмы доменной печи. Все образцы обугленных веществ обладали большей реакционной способностью, чем фурменный кокс, показывая, что они будут гореть более эффективно по сравнению с коксом, и, таким образом, маловероятно, что они будут попадать в печь и вызывать засорение. Обугленные вещества при использовании горячего кислорода являются более химически активными, обеспечивая способу по настоящему изобретению дополнительные преимущества по сравнению с обычными способами использования кислорода при эксплуатации доменной печи.

Хотя изобретение было подробно описано со ссылкой на некоторые предпочтительные варианты, специалистам в данной области техники будет понятно, что возможны другие варианты в пределах существа и сферы притязаний формулы изобретения.