Утилизация конвертерного газа в кислородно-конвертерном производстве стали

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА на тему:

УТИЛИЗАЦИЯ КОНВЕРТЕРНОГО ГАЗА В КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОМ ПРОИЗВОДСТВЕ СТАЛИ

Руководитель работы

Консультанты:

по экономике и управлению производством

по безопасности жизнедеятельности

по стандартизации и метрологии

Нормоконтроль проведен

Рецензент

Работа рассмотрена кафедрой и допущена к защите в ГАК

Заведующий кафедрой

Декан факультета

Москва

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ И СПЛАВОВ (ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

Факультет__ ______ __ “УТВЕРЖДАЮ”

Кафедра Металлургии стали Зав. кафедрой_____________

Специальность 110100

Дипломное задание

Студенту группы ___ ___________________________________ __

(ф., и., о. полностью)

1. Тема дипломной работы Утилизация конвертерного газа в кислородно-конвертерном производстве стали. _________________________

2. Цели дипломной работы: Исследование возможности повышения производительности сталеплавильного агрегата за счет использования химической энергии конвертерного газа.

3. Исходные данные: Принципиальная возможность применения конвертерного газа в качестве технологического при комбинированном способе продувки. Возможность увеличения доли металлического лома в шихте за счет его нагрева.

4. Основная литература, в том числе:

4.1 Монография, учебники и т.п. Бережинский А.И., Циммерман А.Ф. Охлаждение и очистка газов кислородных конвертеров. М.: Металлургия, 1983, 271 с. Григорьев В.П. и др. Конструкции и проектирование агрегатов сталеплавильного производства. М.: МИСиС, 512 с.

4.2 Отчеты по НИР, диссертации, дипломные работы и т.п. Труды конгрессов сталеплавильщиков. Патентная информация.

4.3 Периодическая литература журналы «Сталь», «Известия вузов. Черная металлургия» и иные периодические отечественные и зарубежные издания

4.4 Справочная и методическая литература (в том числе литература по методам обработки экспериментальных данных)

5. Перечень основных этапов исследования и форма промежуточной отчетности по каждому этапу 1. Подготовка литературного обзора (текст литобзора). 2. Расчет нагрева металлического лома (результаты расчета) 3. Расчет температуры горения конвертерного газа (результаты расчета). 4. Расчет материального и теплового балансов по 3 вариантам шихтовки плавки и производительности конвертера (результаты расчета).

6. Аппаратура и методики, которые должны быть использованы в работе Методика расчета нагрева металлического лома. Методика расчета температуры сгорания газообразного топлива.

7. Использование ЭВМ Выполнение расчетов. Оформление текста дипломной работы и иллюстративного материала.

8. Перечень подлежащих разработке вопросов по экономике НИР Расчет сметы затрат на выполнение дипломной работы. Расчет изменения себестоимости стали при реализации предлагаемой технологии.

Согласовано: Консультант по экономике и управлению

производством

9.1 Перечень подлежащих разработке вопросов по безопасности жизнедеятельности__Объемно-планировочное решение зданий и сооружений _кислородно-конвертерного цеха. Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов при выполнении основных операций. Технические меры защиты от выявленных опасных и вредных факторов.

9.2. Вопросы экологии

Согласовано: Консультант по охране труда и окружающей

среды

10. Перечень (примерный) основных вопросов, которые должны быть рассмотрены и проанализированы в литературном обзоре Характеристики конвертерного газа. Способы и схемы охлаждения и очистки конвертерного газа. Способы утилизации конвертерного газа. Эффективность нагрева металлического лома. Анализ теплового баланса кислородно-конвертерной плавки.

11. Перечень (примерный) графического и иллюстративного материала Схема газоотводящего тракта кислородного конвертера. Результаты расчета нагрева металлического лома. Результаты расчета горения конвертерного газа. Результаты расчетов материального и теплового балансов конвертерной плавки. Результаты расчетов изменения себестоимости стали при реализации предлагаемой технологии. Иной иллюстративный и графический материал, отражающий результаты дипломной работы.

12. Руководитель работы ____________________________

(Должность, звание, ф., и., о.)

__________

(подпись)

13. Консультанты по работе (с указанием относящихся к ним разделов) __________________________________________________________________

Дата выдачи задания_______

Задание принял к исполнению студент __________________________________________________________________

(подпись)

Аннотация

В данной работе разработаны основы ресурсосберегающей технологии производства стали марки 08пс в кислородном конвертере с использованием части образующегося конвертерного газа, в качестве топлива для нагрева металлического лома непосредственно в конвертере, и в качестве технологического газа для перемешивания расплава при комбинированной продувке, что позволит увеличить долю лома в шихте. Проведены расчеты нагрева лома, горения конвертерного газа, а также материального и теплового балансов для трех вариантов технологии.

Дипломная работа изложена на 133 страницах, содержит 6 рисунков, 32 таблиц, список использованных источников из 36 наименований, 4 приложений.

Содержание

Введение

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Характеристики конвертерных газов

1.1.1 Состав конвертерных газов

1.1.2 Количество конвертерных газов

1.1.2.1 Влияние присадок извести и руды

1.1.2.2 Влияние способа продувки (верхняя, донная, комбинированная) на состав конвертерного газа

1.1.3 Запыленность и температура газов

1.1.4 Способы отвода конвертерных газов

1.1.5 Газоотводящий тракт конвертера

1.1.5.1 Способы и схемы охлаждения газов

1.1.5.2 Очистка конвертерных газов

1.2 Способы утилизации конвертерных газов

2. Теоретическая часть

2.1 Особенности материального и теплового балансов кислородно-конвертерного процесса

2.2 Анализ теплового баланса современного кислородного конвертера

2.3 Предварительный подогрев металлического лома и его значение

2.4 Нагрев лома технологическим газом

2.5 Расчет нагрева легковесного лома

2.6 Нагрев технологического газа

2.7 Система улавливания и использования в качестве топлива конвертерных газов

3. Расчетная часть

3.1 Расчет материального баланса плавки стали 08пс

3.1.1 Используемые шихтовые материалы и предварительная оценка состава металла перед выпуском

3.1.2 Определение расхода извести и состава конечного шлака

3.1.3 Определение выхода жидкой стали

3.1.4 Определение расхода кислорода

3.1.5 Определение количества среднего состава отходящих газов

3.2 Расчет теплового баланса конвертерной плавки стали 08пс

3.2.1 Приход тепла

3.2.2 Расход тепла

4. Безопасность жизнедеятельности

4.1 Объемно-планировочные решения зданий и сооружений цеха

4.2 Отопление и вентиляция

4.3 Освещение

4.4 Санитарно-бытовые помещения

4.5 Анализ потенциально опасных и вредных производственных факторов при выполнении основных операций

4.6 Технические меры защиты от выявленных потенциально опасных и вредных производственных факторов

4.7 Предотвращение взрыва и пожаров в конвертерном цехе

5. Экономическая часть

5.1 Смета затрат на выполнение дипломной работы

5.1.1 Затраты на материалы

5.1.2 Основная заработная плата научно-технического персонала

5.1.3 Дополнительная заработная плата

5.1.4 Отчисления в общественные фонды

5.1.5 Затраты на силовую электроэнергию

5.1.6 Затраты на использование приборов и оборудования

5.1.7 Накладные расходы

5.2 Экономическая эффективность внедрения новой технологии

6. Расчет экологической эффективности утилизации конвертерного газа

Выводы

Список использованной литературы

Введение

В современных условиях развития металлургического производства весьма актуальными являются задачи по разработке ресурсосберегающих технологических режимов плавки стали, теоретических и практических аспектов новых энергосберегающих способов продувки сталеплавильной ванны технологическим газом и повышения эффективности тепловой работы печей.

Одним из путей снижения расходных показателей и уменьшения потерь является утилизация физической и химической энергии отходящих конвертерных газов. В настоящее время на металлургических предприятиях России утилизация отходящих газов не занимает еще достойного места.

Особый интерес представляет использование конвертерного газа непосредственно в сталеплавильном агрегате. В настоящее время активно ведутся исследовательские работы по утилизации химической энергии отходящих газов путем дожигания их в полости конвертера. Возвращение части конвертерного газа в сталеплавильное производство и замена им других технологических газов, например аргона, в процессах с комбинированной подачей дутья, является весьма актуальной задачей, решение которой, позволило бы, получить значительную экономию материальных и энергетических ресурсов, связанную с отказом от использования аргона, а, следовательно, снижением себестоимости готовой стали.

Использование части образующегося конвертерного газа в качестве топлива для нагрева металлического лома непосредственно в конвертере или в качестве технологического газа для перемешивания расплава при комбинированной продувке позволит увеличить долю лома в шихте. Дополнительный нагрев технологического газа за счет частичного дожигания в нем СО компенсирует потери тепла, связанные протеканием эндотермической реакции окисления углерода за счет СО₂, содержащегося в конвертерном газе.

До настоящего времени на предприятиях СНГ с конвертерным производством стали практически не используются ресурсы конвертерного газа как топлива, что не соответствует мировым тенденциям. Как известно, освоение технологии улавливания, подготовки (охлаждение, очистка от пыли, усреднение химического состава и теплотехнических свойств, повышение давления) и использования конвертерного газа началось в Японии в 1962 г. и к 1985 г. в эксплуатации находились 64 установки (из 66 действующих). Основным толчком к широкому внедрению систем утилизации конвертерного газа послужил так называемый энергетический кризис 70-х годов XX в.

Утилизация конвертерного газа как топлива направлена на защиту окружающей среды и энергосбережение, относится к первоочередным общеотраслевым мероприятиям и государственным проблемам, которые должны решаться с участием и под контролем государства.

Применение конвертерного газа в кислородно-конвертерном производстве стали в настоящее время изучено не достаточно, хотя технические условия для реализации данной задачи достаточно благоприятны в сталеплавильных цехах, оборудованных конвертерами с комбинированной продувкой металла.

1. Аналитический обзор литературы

1.1 Характеристики конвертерных газов

Продувка кислородом вызывает интенсивное окисление углерода чугуна и других примесей шихты в конвертере.

Температура газа на выходе из горловины конвертера колеблется в пределах 1400-1800 ⁰С. Количество газов изменяется по ходу плавки и зависит от режима кислородной продувки, конструкции фурмы, типа присадок и перерабатываемых чугунов. Расход газов определяется по количеству кислорода и скорости обезуглероживания и составляет в среднем 60-80 м³ на 1 т садки. При выходе годного до 90 % это составляет 70-90 м³ на 1 т стали. Количество тепла, выносимого с газами в газоотводящий тракт, находится в пределах 1100-1250 МДж на 1 т стали. Запыленность газов очень высока и достигает 200 г/м³, причем основная доля частиц имеет размер до 1 мкм. Пыль, составляющая до 1,5 % от массы металлической шихты конвертера, содержит массовой доли железа 55-60 % и может быть использована на аглофабрике. Требования защиты окружающей среды и возможность утилизации пыли приводят к необходимости обязательной очистки газа. К тому же, в образующемся конвертерном газе содержится до 90 % СО и 10 % СО₂, а его теплота сгорания достигает 13 МДж/м³ /1/.

Таким образом, конвертерный газ является не только теплоносителем, но и топливом. В большинстве случаев оказывается целесообразным использовать не только физическое тепло газа, но и утилизировать его как химическое сырье или топливо.

Чтобы утилизировать конвертерный газ, как технологический, необходимо сформулировать определенные требования к этому газу. Для этого нужно знать его состав, количество, запыленность, температуру, схему отвода, а также способ охлаждения, т.е. характеристики.

1.1.1 Состав конвертерных газов

Конвертерные газы начинают формирование в металлической фазе ванны по следующим реакциям.

Углерод окисляется кислородом дутья

2[C] +{O₂} = 2{CO},

[C] + {CO₂} = 2{CO},

кислородом, растворенным в металле

[C] + [O] = {CO},

кислородом, содержащимся в шлаке

[C] + (FeO) = {CO} + [Fe],

[C] + (MnO) = {CO} + [Mn].

Последние две реакции, возможно, протекают через промежуточную стадию - растворение (FeO) и (MnO) в металле с образованием растворенного кислорода.

Углерод в конвертере окисляется в первичной и вторичной реакционных зонах в основном по двухстадийной схеме - окисление железа кислородом и окисление углерода образовавшимся FeO; некоторая часть углерода окисляется непосредственно кислородом дутья.

Процесс окисления углерода характеризуется высокой скоростью взаимодействия газообразного кислорода с углеродом, при этом тепло концентрируется в зоне реагирования.

При вдувании чистый кислород вступает в реакцию также и с монооксидом углерода CO

2CO + O₂ = 2CO₂.

Эта реакция обратимая. С увеличением температуры равновесие сдвигается влево, увеличивается степень диссоциации CO₂. Поэтому в конвертере над металлом находится только монооксид углерода, несмотря на присутствие избыточного кислорода. По мере движения газов к горловине конвертера некоторое количество монооксида углерода окисляется до диоксида, поскольку температура снижается.

Согласно литературным данным газы, выходящие из конвертера, состоят в среднем из 90 % CO и 10 % CO₂ /2/.

Технологическое использование конвертерного газа вызывает интерес в связи с большим содержанием в газе оксида углерода, который сохраняется в нем при отводе газа из конвертера без дожигания.

1.1.2 Количество конвертерных газов

Количество конвертерных газов меняется по ходу продувки. Кривая выхода газов и абсолютные значения зависят от метода проведения кислородной продувки, режима и типа присадок, конструкции фурмы и ее положения, типа перерабатываемых чугунов, интенсивности продувки.

Количество газов, выделяющихся из конвертера, определяют, с одной стороны, по максимальной скорости обезуглероживания, а с другой, по количеству кислорода, вводимого в конвертер.

Исходя их максимальной скорости обезуглероживания, расчетное (максимальное) количество газов при количестве чугуна в шихте составляет

(1)

Это выражение действительно, если в период максимального обезуглероживания не подают ни руду, ни известь. Если же в период максимального обезуглероживания подают руду, то выражение, по которому определяют максимальное количество газов, приобретает вид

+ 0,15 G_р (2)

Количество газов, выделяющихся из конвертера на 1т шихты

, (3)

где a - содержание чугуна, %;

С - содержание углерода в чугуне, %.

То же, на 1 т стали

/3/, (4)

где - выход годного, %.

Выход конвертерных газов в обычных условиях при чисто кислородном дутье составляет 70-90 м³ из расчета на 1 т готовой стали /4/.

1.1.2.1 Влияние присадок извести и руды

Процесс кислородной продувки ведут с присадками извести (для образования шлака) и руды (в качестве охладителя). Режимы присадок извести и руды на различных установках разные. Известь, подаваемая в конвертер, должна содержать минимальное количество недопала (известняка). Гашеная известь (CaO) не увеличивает объема продуктов сгорания, выходящих из конвертера.

Известняк разлагается по реакции CaCO₃ > CaO + CO₂.

Процесс протекает в зоне высоких температур, при которых диоксид углерода частично диссоциирует с образованием монооксида углерода 2CO₂ > 2CO + O_2.

Таким образом, присадки известняка приводят к увеличению объема газов (монооксида углерода), выходящих из конвертера. Из 100 кг CaCO₃ образуется 56 кг CaO и 22,4 м³ CO₂. В 100 кг CaCO₃ содержится 12 кг С. При дозировке на 1 т чугуна 80 кг извести с недопалом 20 % вносится 0,2 · 80 = 16 кг известняка (CaCO₃). Количество выделяющегося CO₂ будет равно 0,16 · 22,4 = 3,58 м³, что составит примерно 5-6 % от количества газов, выделяющихся при выгорании углерода чугуна.

В конвертерных цехах стремятся вводить известь, содержащую до 95 % CaO. При этом увеличение объема газов, выходящих из конвертера, в результате разложения известняка - незначительно.

Разложение CaCO₃ протекает очень быстро, поэтому можно считать, что к периоду максимального выгорания углерода реакции разложения известняка практически завершаются. Введение извести не приводит к увеличению максимальных количеств конвертерных газов.

В конвертерном процессе применяют руду. Присадка руды, эквивалентная дополнительному вводу кислорода на продувку, сопровождается ростом скорости выгорания углерода и, следовательно, увеличением количества конвертерных газов /2/.

1.1.2.2 Влияние способа продувки (верхняя, донная, комбинированная) на состав конвертерного газа.

Процессу донной кислородной продувки в конвертере присущи следующие особенности, отличающие его от процесса с верхней продувкой: большее число реакционных зон и большая межфазная поверхность контакта кислородных струй с металлом, интенсивное окисление углерода с первых минут продувки, низкое содержание окислов железа в шлаке практически в ходе всей плавки.

Мощность перемешивания пузырями оксида углерода при донной продувке больше, чем при верхней, поскольку в первом случае углерод окисляется в нижних горизонтах ванны, а при верхней продувке - в основном в верхних ее слоях и в околофурменной зоне.

При донной продувке содержание CO₂ в конвертерном газе на протяжении всей продувки не превышает 4 %; лишь вначале плавки оно составляет 5-2 %. При верхней же подаче кислорода содержание CO₂ в отходящем из конвертера газе в начальный период плавки составляет 15-20 %, в середине - 8-12 %, т.е. при верхней продувке более полно используется теплота от окисления углерода.

Термодинамические и кинетические особенности донной кислородной продувки обуславливают более низкие концентрации растворенного в металле кислорода, чем при верхней. Это объясняется тем, что в результате образования водорода при разложении защитного топлива (газообразного, жидкого) изменяется состав газовой фазы - содержание водорода достигает в начале продувки 15-20 %, в конце - 25-30 % (при верхней продувке значительно меньше) /5/.

Донная кислородно-топливная продувка имеет преимущества с точки зрения экологичности процесса по сравнению с верхней продувкой. При донной продувке ванны запыленность отходящих газов ниже, чем при верхней: 5-20 г/м³ по сравнению с 80-200 г/м³, что соответственно повышает выход годного стали до 1,4 % /3/.

При комбинированной продувке кислородом сверху и снизу повышение расхода кислорода на дожигание приводит к увеличению содержания диоксида углерода в отходящем газе /6/.

Комбинированная продувка с точки зрения пылегазовых выбросов является экологически более чистой технологией, чем верхняя продувка (вынос пыли снижается на 20 %). Снижение пылевыноса обуславливается, во-первых, уменьшением угара железа и, во-вторых, сокращением потребления извести, а, следовательно, и ее выноса /3/.

1.1.3 Запыленность и температура газов

Масса металлических частиц в газах достигает 1-1,55 по отношению к массе садки и увеличивается при неудовлетворительном ведении процесса. При выносе с газами около 1 % металлических частиц загрязненность конвертерных газов составляет 125 г/м³ .

Установлена зависимость количества пыли в конвертерных газах от метода проведения продувки, времени присадки извести и начала вспенивания шлака. Подтверждено, что меньше всего пыли выносится в том случае, если шлак вспенивается примерно через 60 % времени от начала продувки и если присадки извести распределяются многими порциями по ходу продувки.

Как правило, химический состав и крупность пыли устанавливают по замерам на некотором расстоянии от горловины конвертера - в пределах охладителя. При этом на крупность пыли и состав существенное влияние оказывает способ отвода газа из конвертера: при доступе воздуха и горении конвертерных газов или без доступа воздуха.

При отводе газов с дожиганием развиваются высокие температуры, FeO окисляется до Fe₂O_3. Пылевые частицы - черно-бурого цвета, частиц с размером меньше 0,5 мкм примерно 20 %; 0,5-1,0 мкм 65 % и не менее 1 мкм 15 %. В ходе продувки меняется химический состав пыли. При переработке низкофосфористых чугунов содержание железа возрастает с 50 до 70 %, содержание извести находится в пределах 14-5 %, кремния (SiO₂) 3-0,7 %, фосфора 0,3-0,16 %, серы 0-0,12 %. Наибольшее количество пыли выделяется примерно в середине продувки.

При отводе газов совершенно без доступа воздуха пылевые частицы в основном серого цвета и более крупные /4/.

Запыленность отходящих конвертерных газов составляет в среднем от 140 до 300 г/м³. В момент подачи сыпучих вынос пыли значительно увеличивается (запыленность конвертерных газов возрастает в 2-8 раз в зависимости от вида, количества и качества сыпучих материалов).

Температура газов, выходящих из конвертера, по мере проведения кислородной продувки повышается от температуры чугуна (1250-1300 ⁰С) до температуры стали и несколько выше (1600-1700 ⁰С) /2/.

Для того чтобы можно было бы использовать конвертерный газ, как технологический его запыленность должна быть не более 10 мг/м³, следовательно, необходимо иметь несколько ступень очистки.

1.1.4 Способы отвода конвертерных газов

В связи с необходимостью поворота конвертера между его горловиной и газоотводящим трактом не может быть герметичного соединения. В этот кольцевой зазор может подсасываться воздух в количестве, зависящем от величины разрежения в этой зоне. При этом должен обеспечиваться отвод в охладитель (ОКГ) всех газов, выходящих из конвертера во время продувки кислородом.

Существуют два принципиально отличных способа отвода конвертерных газов: с доступом воздуха и без доступа воздуха.

При отводе с доступом воздуха может быть обеспечено три режима: 1) полное сжигание газа с коэффициентом расхода воздуха б > 1,0; 2) горение с недожогом, если 0,75 < б < 1 и 3) частичное сжигание, если 0,3 < б < 0,6. В первом и втором случаях на выходе из охладителя образуются инертные продукты сгорания, а в третьем - в смеси с воздухом газ взрывоопасен. При отводе газа из конвертера без доступа воздуха подсос наружного воздуха настолько мал, что сгорает только тонкий периферийный слой струи конвертерного газа. При этом 0 < б < 0,1 и смесь газа взрывоопасна. Способ называется - «отвод без дожигания».

Режим полного дожигания оксида углерода, когда через газовый тракт проходят продукты сгорания, как при работе топливных котлов или котлов-утилизаторов, не вызывает затруднений в процессе работы.

Сложности в работе газоотводящего тракта конвертера возникают при частичном дожигании или без дожигания оксида углерода. Они характеризуются высокими требованиями по обеспечению безопасности ведения процесса, так как в газоотводящем тракте возможно образование взрывоопасной смеси газа с воздухом. С помощью уплотняющего устройства - подвижного колокола (юбки) - удается уменьшить подсос, сократив зазор между горловиной конвертера и кессоном до 70 мм. Специальное регулирующее устройство, включенное перед дымососом, автоматически поддерживает постоянное давление на стыке горловина - юбка. Этим удается свести к минимуму подсос и отводить конвертерный газ по мере его образования.

Особенностью работы газоотводящего тракта в этих режимах является самопроизвольное образование так называемого «тампона» (рисунок 1). В начале продувки и в ее конце, когда количество образующихся реакционных газов мало, при небольшом подсосе воздуха происходит их полное или частичное сгорание. Этот негорючий газ заполняет газовый тракт и, как тампон, прочищает тракт от воздуха. Выделяющийся конвертерный газ отделен таким образом от воздуха с двух сторон, что обеспечивает его взрывобезопасность /1/.

/ -- расход газа на выходе из горловины конвертера; 2 -- расход газов, отсасываемых дымососом; 3 -- «тампон»

Рисунок 1- Схема образования «тампона» в газовом тракте конвертера

В некоторых схемах режим без дожигания сопровождается подачей в газовый тракт инертного газа - технического азота, который играет роль тампона в начале и конце продувки.

В последние годы применяют схемы отвода газов без дожигания, поскольку это снижает затраты на строительство цеха /5/.

В процессе работы без дожигания обнаружено, что размер частиц в газах, выходящих из конвертера, увеличивается, что позволяет более полно очищать отходящие газы от пыли /7/.

При отводе конвертерных газов без дожигания выбросы СО в атмосферу за период одной плавки с интенсивностью кислородной продувки 2,5-3,0 м³/т·мин составляют 500 м³. Резко возрастают выбросы оксида углерода при неурегулированном отводе газов без дожигания (частичном дожигании). С повышением интенсивности дутья до 4,0 м³/т мин объем отходящих газов резко возрастает и одновременно с ним возрастает и концентрация СО.

При кислородно-конвертерном процессе количество и состав отходящих газов в значительной степени определяются способом их овода. При полном дожигании СО резко возрастает объем газов (таблица 1) /3/.

Таблица 1 - Характеристика пылегазовых выбросов от конвертера при различных способах отвода газов

Способ отвода газов из конвертера	Среднее количество газов на входе в газоочистку, м3/т	Температура газов на выходе из агрегата, 0С	Концентрация на входе в газоочистку, г/м3
			пыль	СО	NOx
Без дожигания СО	210	1600	130	360	1,0·10-2
С частичным дожиганием СО	230	1600	120	330	0,9·10-2
С полным дожиганием СО	525	1600	50	1	0,6·10-2

Тот или иной способ отвода выбирают в зависимости от принятой схемы охлаждения и степени утилизации тепла, экономически целесообразной для конкретных условий завода.

В нашем случае отвод конвертерных газов осуществляется без дожигания, что обеспечивает энергосбережение и охрану окружающей среды, а также позволит улавливать конвертерный газ для последующего его использования.

1.1.5 Газоотводящий тракт конвертера

Независимо от типа конструкции конвертера и технологического процесса тракт должен состоять из систем отвода, охлаждения, очистки и утилизации конвертерных газов. Как ужу оговаривалось, в процессе продувки из конвертера выделяются газы в количестве 70-80 м³/т стали с температурой 1500-1700 ⁰С и содержащие пыли от 50 до 350 г/м³ (а в ряде случаев и более). Газ, как правило, содержит до 90 % оксида углерода.

В соответствии с требованиями санитарных норм выброс в окружающую атмосферу таких газов недопустим. И в то же время конвертерный газ служит источником вторичных энергоресурсов для утилизации физической и химической теплоты. Учитывая, что оксид углерод в смеси с воздухом является взрывоопасным в интервале концентраций 12,5-74,5 % СО, система отвода газа должна быть взрывобезопасной. Отсутствие технической возможности очистки от пыли отходящих высокотемпературных газов обусловило разделение системы отвода газов на два самостоятельных участка: участок охлаждения и участок очистки /8/.

1.1.5.1 Способы и схемы охлаждения газов

До подачи в систему газоочистки в зависимости от ее типа газы охлаждают до температуры ниже 1200 °С. Применяют способы объемного и поверхностного охлаждения. Первый - за счет контакта газа с холодным воздухом или испарения распыленной воды без утилизации тепла. Второй - основан на контакте газа с поверхностью охлаждения типа кессона или котла-охладителя, или котла-утилизатора. При этом способе достигается частичная утилизация тепла.

Поверхностные охладители газов можно классифицировать по следующим основным признакам:

- по виду теплоносителя - водяные и паровые. К первым относят кессоны и трубчатые охладители, ко вторым - котлы-утилизаторы или системы испарительного охлаждения;

- по виду преимущественного теплообмена - радиационные и радиационно-конвективные. В первых - охлаждение газов происходит до 800-1200 °С, во вторых - до 250-400 °С;

- по схеме циркуляции теплоносителя - с принудительной, естественной или комбинированной схемой циркуляции;

- по виду газохода - с одним восходящим газоходом (наклонным или вертикальным), с П-образным газоходом и др /1/.

Для охлаждения конвертерных газов используют разнообразные по конструкции и принципу действия котлы-утилизаторы, получившие название охладителей конвертерных газов (ОКГ).

Учитывая, что высокотемпературные отходящие газы, имеющие большую запыленность, способны интенсивно излучать теплоту, в отечественной практике все охладители имеют в своем составе котел радиационного действия, в котором газ охлаждается до температуры 1000-900 ⁰С. Дальнейшее охлаждение может осуществляться либо с утилизацией теплоты в конвективных котлах, либо путем подачи воды непосредственно в газовый поток.

Радиационная часть ОКГ представляет собой подъемный газоход, внутренняя часть которого выполнена из трубчатых экранных панелей. Вода, циркулирующая в этих трубках, отбирая теплоту, поступает в виде пароводяной смеси в бак-сепаратор. Все ОКГ работают с принудительной циркуляцией, сто требует сооружения специальной насосной станции.

Учитывая, что конвертерные газы содержат высокие концентрации оксида углерода, применяемые охладители и вся система отвода дыма по газовому тракту должны быть взрывобезопасными. Для обеспечения взрывобезопасности в основе систем отвода конвертерных газов могут быть положены два принципа:

- снижение концентрации оксида углерода за счет многократного его разбавления;

- отвод газов с высокой концентрацией оксида углерода (? 74,5 %).

Это достигается различными способами, которые отличаются в основном коэффициентом избытка воздуха б на выходе из охладителя /8/.

При любом способе отвода и охлаждения газов газоочистка должна обеспечить очистку настолько, чтобы при выбросе газов в атмосферу в приземном слое концентрации пыли не превышала санитарную норму (ПДК).

При охлаждении конвертерного газа имеется возможность насыщения газа водяными парами, что не очень желательно с точки зрения использования этого газа, как технологический (т.к. имеется возможность насыщения водородом). Данный вопрос требует отдельного детального изучения и в данной работе рассмотрен не будет.

1.1.5.2 Очистка конвертерных газов

Как уже отмечалось, в конвертерных газах на выходе из конвертера содержание плавильной пыли может достигать до 250 г/м³. Выносимая из конвертера пыль в зависимости от способа охлаждения конвертерных газов имеет различный химический и фракционный состав.

Система газоочистки должна обеспечить снижение содержания пыли независимо от способа отвода и охлаждения конвертерных газов, выбрасываемых в атмосферу в соответствии с требованиями санитарных норм, как указывалось ранее, до 0,1 г/м³.

В настоящее время в мировой практике существует большое разнообразие систем и конструкций газоочистных аппаратов. Все их можно объединить в три большие группы по способам очистки: сухую, мокрую и электроочистку.

В отечественной практике все кислородно-конвертерные цехи оборудованы мокрыми системами газоочистки, т.к. они взрывобезопасны, обладают высокой скоростью очистки и надежны в эксплуатации.

В основе принципа работы мокрых газоочисток лежит укрупнение частиц пыли за счет увлажнения и вывода их из газового потока путем многократного изменения направления и скорости движения газов. Система мокрой газоочистки (рисунок 2) является многоступенчатой и включает последовательно

1 - конвертер; 2 - котел-охладитель; 3 - орошаемый газоход; 4 - бункер орошаемого газохода; 5 - две трубы Вентури первой ступени; 6 - бункер первой ступени; 7 - регулируемая труба Вентури второй ступени; 8 - бункер второй ступени; 9 - каплеуловитель; 10 - к эксгаустеру; 11 - вода из оборотного цикла; 12 - гидрозатворы

Рисунок 2 - Схема газоотводящего тракта с мокрой очисткой газов

расположенные аппараты, предназначенные для снижения температуры газов до заданных пределов (скрубберы), аппараты для очистки пыли (трубы Вентури) и аппараты для отделения влаги (каплеуловители различной конструкции). Основным элементом таких газоочисток являются трубы Вентури, которые предназначены для увеличения скорости газа, дробления, перемешивания воды с газом, смачивания частиц пыли и их коагуляции. В газоочистных аппаратах используются, так называемые, малые трубы Вентури с круглым сечением горловины или большие трубы Вентури, имеющие круглое или прямоугольное сечение горловины /1/.

При отводе газов без дожигания газоочистные аппараты должны оснащаться трубами Вентури с регулируемым сечением горловины. Регулирование размеров горловины осуществляется с помощью подвижного конуса или поворотных заслонок в зависимости от количества газов, выходящих из конвертера.

Мокрые газоочистки обладают радом недостатков, к которым относятся большой расход воды 3,5-7,2 м³ на 1000 м³ газа, организация сложной и громоздкой системы оборотного цикла водоснабжения, утилизации шлама, высокий расход электроэнергии для обеспечения работы системы газоочистки.

Применение тканевых фильтров требует установки дорогостоящего оборудования и специальных материалов.

Использование электрофильтров (сухих или мокрых) при всех их преимуществах осложняется взрывобезопасностью в связи с необходимостью тщательного регулирования скорости, температуры и влажности дымового потока.

1.2 Способы утилизации конвертерных газов

Выбор способа использования конвертерного газа зависит от ряда условий. Основными из них являются: технологические особенности конвертерного процесса, цены на энергоносители, размеры капитальных вложений на сооружение систем использования конвертерного газа. Эти условия должны быть проанализированы при решении проблемы использования конвертерного газа в каждом конкретном случае.

На данный момент в процессе конвертерного производства выбрасывается конвертерный газ в количестве 70-80 м³/т стали калорийностью 8-10 МДж/м³, что эквивалентно расходу 20 тыс. м³/ч природного газа /9/.

В Японии использование конвертерного газа как топлива начато в 1962 г. В течение 10 лет установками использования газа были оборудованы 34 конвертера. Этому способствовали дефицит газообразного топлива, его высокая цена, повышенный удельный выход конвертерного газа в связи с высокой долей чугуна в металлошихте. Во Франции и ФРГ отвод газа без дожигания применяется также с 60-х годов, но установки использования конвертерного газа появились лишь спустя 20 лет, когда резко возросли цены на топливо.

Кроме общеизвестного и освоенного за рубежом способа использования конвертерного газа со сбором его в газгольдере, известны разработки ряда альтернативных схем его использования.

Одной из них является подача очищенного кондиционного конвертерного газа в сети доменного газа, используемой при этом как газгольдер постоянного объема. Проведенные оценки показали, что, кроме колебаний калорийности доменного газа с переменной примесью конвертерного, наблюдалось существенное увеличение давления в сетях доменного газа с 10 до 30-50 кПа. Эти сети не приспособлены к работе в таких условиях.

Довольно глубоко разрабатывались предложения, предусматривающие сжигание кондиционного конвертерного газа в топках регенераторов (типа доменных воздухонагревателей). При этом часть продуктов сгорания направлялась в котлы-утилизаторы, а часть - на нагрев насадки регенератора. В межпродувочный период в этой насадке предлагалось греть воздух, который должен был в котлах-утилизаторах использоваться для выработки пара. В различных вариантах этой схемы предусматривалось использование тепла на выработку электроэнергии с помощью газовых турбин, в которую подавался нагретый в насадке воздух, или на нагрев лома в специальных камерах тем же воздухом.

Анализ выявил следующие недостатки этой схемы:

- высокие капитальные затраты, которые делают установку экономически неоправданной;

- малый ожидаемый срок службы насадок вследствие высокой запыленности конвертерного газа (100 мг/м³, а не 10 мг/м³, как у доменного);

- сложнейшая схема переключения (10-12 одновременно и взаимосвязано действующих клапанов).

Рассматривалась схема с подачей очищенного конвертерного газа в энергетический котел (или другой мощный топливопотребляющий агрегат). Наиболее целесообразны в такой схеме котлоагрегаты ТЭЦ, ПВС. Постоянство паропроизводительности может быть обеспечено за счет дополнительного топлива. Эта схема привлекала низкими капитальными затратами (так как имелось в виду использование существующих котлов ТЭЦ) и простотой. Недостаток - резкие и значительные колебания расхода дополнительного топлива и значительная удаленность ТЭЦ от конвертерного цеха (затраты на газопровод и транспортировку газа). Реакции, протекающие на ТЭЦ при подаче конвертерного и природного газа, можно описать следующими уравнениями

СН₄ + 1/2 О₂ = СО + Н₂ + 35800 кДж,

СО + 1/2 О₂ = СО₂ + 12770 кДж.

Соответственно можно сделать вывод, что при подаче на ТЭЦ 3 м³ конвертерного газа будет достигаться экономия 1 м³ природного газа.

НПО «Энергосталь» разработан способ использования конвертерного газа с дожиганием очищенного конвертерного газа в котле дожигания, общем для всех конвертеров цеха. В котле вырабатывается насыщенный пар, подаваемый в пароводяные аккумуляторы, из которых он (с постоянным расходом) поступает на перегрев, а затем к потребителю. Величина подтопки составляет до 15 % мощности котла дожигания и определяется из условий дожигания конвертерного газа с малой концентрацией СО в начале и конце продувки. Эта схема более проста, безопасна и экономична по сравнению со сбором в газгольдере /10/.

Также конвертерный газ можно использовать при нагреве лома до 850 °С, сжигая газ в потоке кислорода до 2250 °С с последующим охлаждением.

Все больше в мире получает распространение бескоксовое восстановление железа в аппаратах прямого восстановления, для которых специально подготовляют восстановители. Предлагаемая схема включает охлаждение конвертерного газа до 900 °С путем энергохимической аккумуляции с последующим восстановлением и обжигом железорудного сырья, которое подается в зону восстановления без охлаждения. В результате получается губчатое железо, которое можно ввести в конвертер без охлаждения.

Электрохимическая аккумуляция газов протекает по схеме

СО + 3СО₂ + СН₄ = 4СО + СО₂ + Н₂ + Н₂О.

В результате происходят следующие качественные изменения: снижаются концентрация СО и температура газа, повышается его количество и теплопроводность. Температура газа снижается до 1000 °С, объем его возрастает до 9,62 м³/100 кг. Далее газ направляется в зону, где восстанавливаются обоженные окатыши. Все агрегаты необходимо располагать в непосредственной близости друг к другу. Такая схема позволит снизить расход природного газа, который используется только для корректировки химического состава конвертерного газа /11/.

При утилизации конвертерного газа в доменной печи - после газоочистки газ направляют на энергохимическую аккумуляцию для отделения СО от СО₂. Особенность использования топлива в доменном переделе является то, что 65-70 % его энергии тратится на восстановление железа из руды. Например, из реакции косвенного восстановления СО, стехиометрическими коэффициентами в соответствии с условиями равновесия при 700 °С FeO +2,5CO = Fe + CO + CO₂ следует, что на 1 кг железа расходуется 0,536 кг углерода.

Поэтому не удается существенно снизить энергоемкость чугуна. При вдувании в доменные печи различных топливных добавок преследуется, прежде всего, цель экономии дефицитного кокса за счет использования менее дефицитных видов топлива.

Нижняя ступень теплообмена, или зона прямого восстановления железа, является определяющей в расходе кокса. Увеличение восстановительной способности газов путем введения углеводородного топлива связано с повышением концентрации оксида углерода и водорода. С ростом восстановительных газов и их давления, степень косвенного восстановления железа увеличивается, что приводит к сокращению расхода кокса.

Основные требования к восстановительному газу: максимальная концентрация в нем водорода и оксида углерода при минимальном содержании диоксида углерода, оксида водорода и сажи.

При использовании конвертерного газа достигается экономия кокса, 1 кг углерода конвертерного газа экономит 2 кг углерода кокса. По сравнению с вдуванием сырого природного газа, мазута использование конвертерного газа имеет преимущество в том, что не затрачивается тепло на диссоциацию углеводородов, а приход тепла определяется нагревом конвертерного газа.

Перспективы для повышения степени утилизации газа является технологическое его использование, направленное на повышение эффективности сталеплавильного процесса путем термообработки загружаемой в конвертер шихты.

Технологическое использование конвертерного газа для восстановления железорудного сырья вызывает интерес в связи с большим содержанием в газе оксида углерода, который сохраняется в нем при отводе газа из конвертера без дожигания. При этом наиболее целесообразным является восстановление железорудного сырья с применением его непосредственно в шихте кислородно-конвертерной плавки. После восстановления железорудное сырье можно использовать не только как охлаждающей плавку компонент шихты, но и в качестве металлодобавки к ней, что может обеспечить снижение расхода чугуна на выплавку стали или компенсировать угар металла во время продувки ванны конвертера.

Эффективность восстановления конвертерного газа зависит от места размещения реактора-восстановителя на газоотводящем тракте конвертера. Возможны два варианта размещения реактора: на высокотемпературном участке газоотводящего тракта с использованием газа до газоочистки и на участке тракта охлажденного газа после газоочистки /12/.

Также можно утилизировать химическую энергию отходящих газов путем дожигания их в полости конвертера. В отходящих газах заключен значительный запас потенциальной химической энергии - при сжигании 1 м³ CO до CO₂ выделяется 12,65 МДж тепла.

Дожигание монооксида углерода в диоксид в рабочем пространстве конвертера чаще всего осуществляется вдуванием технически чистого кислорода /13,14/.

Основной проблемой дожигания конвертерных газов в полости агрегата, с точки зрения улучшения теплового режима конвертера, является организация эффективной теплопередачи от факела горение СО к ванне /15/. Отсутствие достаточно интенсивного отвода тепла от зоны дожигания вглубь расплава приводит к локальному перегреву отходящих газов и делает процесс дожигания газов в конвертере экономически нецелесообразным.

Процесс дожигания CO до CO₂ в течение продувки идет неравномерно - наиболее интенсивно реакция протекает в первой и последней третях периода плавки, в середине же плавки при повышении уровня газошлакометаллической эмульсии степень дожигания снижается.

Между среднемассовым за плавку содержанием CO₂ в отходящих газах А, %, и долей лома в шихте Р_л, %, имеется следующая зависимость Р_л = 23,6 + 0,24·А, т.е. при увеличении содержания диоксида углерода на 10 % доля лома в металлозавалке повышается на 2,4 % /16/.

Эффективное дожигание СО до СО₂ в рабочем пространстве конвертера организуется вдуванием двухъярусного потока кислорода над зоной продувки, причем основной поток О₂ поступает в металл на окисление примесей, а дополнительный автономный поток О₂ поступает в металл на окисление примесей через верхний ярус сопел фурмы в объеме вспененного шлака.

При дожигании СО в рабочем пространстве конвертере над шлаком КПД дожигания монооксида углерода заметно выше, чем при организации сжигания СО струями газодинамической завесы из О₂ в области вспененного шлака.

При этом интенсивное излучение факелов дожигания СО над шлаком приводит к перегреву футеровки и увеличению энтальпии отходящих запыленных газов, что заметно снижает коэффициент полезного теплоиспользования. И наоборот, если дожигание СО струями газодинамической завесы из О₂ полностью осуществляется во вспененном шлаке и параметр эффективности дожигания СО по мере увеличения толщины шлака снижается, то при этом попадание лучистой энергии на футеровку устраняется и значительная часть тепла от дожигания СО усваивается шлаком, который интенсивно перемешивается струями газодинамической завесы и за счет обезуглероживания металла /17/.

При организации газоструйной защиты над зоной продувки в конвертере энтальпия шлака возрастает не только за счет дожигания СО, но и за счет возвращения в шлак струями газодинамической завесы из О₂ корольков металла. Следовательно, чем интенсивнее подвод тепла в шлак от дожигания СО и за счет возврата корольков металла, тем меньше тепла теряется реакционной зоной продувки в сторону шлака и выше термический КПД агрегата.

С энергетической точки зрения режим дожигания СО в шлаке менее эффективен по сравнению с режимом горения в атмосфере печи, однако при этом устраняется фактор облучения футеровки и улучшаются теплотехнические условия службы агрегата. С теплотехнической точки зрения применение режима погруженного горения СО в области вспененного шлака является более эффективным по причине заметного повышения термического КПД агрегата и интенсификации теплообмена в целом в системе шлак - металл. Основным ограничителем шлака являются его технологические характеристики (окисленность, основность и др.)

Однако синхронизация процесса дожигания СО струями газодинамической завесы из О₂ с процессами шлакообразования и режимом продувки конвертерной ванны позволяет устранить повышенный износ футеровки за счет ее облучения факелами дожигания, снизить вынос пыли, повысить тепловой КПД и производительность агрегата /18, 19/.

При дожигании отходящих газов в полости конвертера облегчаются условия эксплуатации газоотводящего тракта, работающего в режиме полного или частичного дожигания - снижается тепловосприятие экранов охладителя конвертерных газов и температура в переходном газоходе.

Выход газов из конвертера на единицу введенного кислорода уменьшается, что позволяет увеличить интенсивность продувки при ограниченной пропускной способности газоотводящего тракта.

Благодаря более эффективному дожиганию отходящих газов температура металла возрастает на 20-30 ⁰С при одновременном снижении расхода чугуна на 9,4-27,2 кг/т стали и увеличении количества перерабатываемого лома на 3,1-5,0 кг/т стали /20/.

Технология дожигания газов обеспечивает производственную гибкость, причем лучшее распределение кислорода в конвертере обеспечивает большее количество тепловой энергии. Регулируемое использование этой энергии в будущем может обеспечить выгоды, связанные с повышением доли лома в шихте, с сокращением продолжительности рабочего цикла и с уменьшением случаев возникновения настылей на участках корпуса конвертера и на фурме.

На всех предприятиях России схема отвода конвертерных газов приблизительно одинакова. Газ проходит через котлы охладители, газоочистку и сжигается на свечах. Основной проблемой при утилизации газа оказывается неравномерность его расхода и химического состава. Схемное решение этой проблемы определяет принцип утилизации.

Принципиально возможны следующие подходы к построению схемы утилизации конвертерного газа (рисунок 3) /9/.

Рисунок 3 - Варианты утилизации газа переменного состава

В общем случае способы утилизации конвертерного газа представлены схемой (рисунок 4) /9/.



Рисунок 4 - Способы утилизации конвертерного газа

В черной металлургии имеется огромный потенциал энергосбережения как за счет улучшения подготовки сырых материалов и применения более экономичных технологических процессов, так и за счет широкого и эффективного использования вторичных тепловых и энергоресурсов. В черной металлургии России не используется в настоящее время конвертерный газ.

В мировой практике утилизация конвертерного газа считается экономически целесообразной и все вновь строящиеся и реконструируемые цехи оснащаются соответствующим комплексом сооружений.

Из всего вышеизложенного можно сделать вывод, что конвертерный газ можно утилизировать по различным схемам. Он несет в себе значительный запас энергии. И самое главное, что можно использовать не только физическое, но и химическое тепло конвертерного газа.

2. Теоретическая часть

2.1 Особенности материального и теплового балансов кислородно-конвертерного процесса

При продувке обычного передельного чугуна кислородом сверху выделяется такое количество тепла, которое может обеспечить нагрев ванны к концу процесса до 1850-1900 ⁰С, если не применять охладителей. Для получения нормальной температуры в конце продувки (1580-1650 ⁰С) расход главной из охлаждающих добавок - стального лома - должен составлять 24-28 %, чугуна 72-76 % массы металлической шихты в зависимости от его состава и температуры. Превышение оптимального расхода охладителя обусловлено обычно увеличением доли тепла реакций окисления железа, в результате чего снижается выход годного.

Расходные статьи материального баланса представляют собой в основном выход годного металла и определяющие его факторы. Различия в производственных условиях и степени совершенства технологии приводят к значительным колебаниям выхода годного (88-92 %) как в зарубежных, так и в некоторых отечественных кислородно-конвертерных цехах. Потери железа: с выносом мелких капель металла и шлака при продувке достигают 1 % массы металлозавалки; в виде пыли, уносимой отходящими из конвертера газами, 0,8-1,5 %; с выбросами - выплесками или даже периодическими переливами через горловину конвертера макрообъемов металло-шлаковой эмульсии достигают 2 % и иногда, при больших расстройствах процесса, до 5 %; в виде корольков металла, запутавшихся в шлаке (чаще всего в количестве 6-10 % массы шлака), и в виде оксидов железа.