Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 13 )

При периодической выгрузке твердого или выпуске жидкого металла обновляется масса М за счет загрузки новых порций окатышей, реализуется утилизация физического и химического тепла отходящих газов вновь загружаемыми порциями окатышей.

Если агрегат (см. рис. 3.1) способен экономично металлизовать окатыши углем, то он способен и достаточно экономично превращать химическую энергию угля в химическую энергию водорода. Схема с верхними и нижними фурмами делает такой агрегат удобным для получения водорода.

ГЛАВА 7. РЕЗУЛЬТАТЫ ОБСУЖДЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМЫХ СХЕМ. ДИСКУССИОННЫЕ ВОПРОСЫ

7.1. Газопроницаемость зоны плавления

Мы стремились провести возможно больше обсуждений и дискуссий по данной теме с металлургами – исследователями других специальностей. В данной главе приводятся некоторые результаты таких обсуждений.

В дискуссиях высказывалось мнение: в схемах (см. рис. 3.1, рис. 5.1), на границе массы окатышей и топлива, где происходит плавление, из-за выделений жидких фаз может происходить затекание расплавами просветов между кусками шихты и резкое понижение газопроницаемости. Но в доменных печах подобное плавление обычно не сказывается на газопроницаемости этой зоны. Из опыта обжига окатышей известно, что форма окатыша обычно остается неизменной при накоплении внутри окатыша, например, 15 % расплавов; значительная часть плавления может пройти еще до видимых изменений структуры массы окатышей.

Увеличение избытка угольной пыли приведет к тому, что часть ее будет заноситься поднимающимися газами в зону окатышей, науглероживать их и увеличивать толщину зоны плавления, распределять плавление по большему пространству. Далее, варьируя давление дутья, можно «расшевелить» такую зону плавления.

Если этого оказалось бы недостаточно, то можно применить такой способ загрузки, при котором площадь соприкосновения зон окатышей и топлива увеличивается. Если масса оказывается заключенной в топливную оболочку, как в варианте рис. 3.1, то поступление газов в массив окатышей происходит и в более высоколежащих боковых поверхностях, где температуры ниже, и плавления не происходит. В доменной печи также можно выполнить такую загрузку, при которой масса окатышей приобретет вид конуса, вытянутого в центре печи вниз, и углубленного здесь в зону кокса.

Мы благодарны профессору за участие в обсуждении этого вопроса.

7.2. Существующие тенденции замены кокса углем

Нарастает замена кокса углем. Сейчас этот

процесс уже не остановить.

Профессор

Отметим, что сейчас интенсивно развивается и нарастает процесс замены кокса углем во многих процессах. В доменных печах, в различных печах обжига материалов, в вагранках и других шахтных печах кокс заменяется углем частично, а в некоторых печах даже полностью. Эта замена становится популярной, даже «модной», так что «сейчас этот процесс уже не остановить». Профессор кафедры химии УГГУ и его группа участвовали в отладке такой замены на десятках предприятий. Правда, в доменных печах доля угля в топливе пока не превышает обычно нескольких процентов.

В некоторых шахтных печах используют уголь, но время от времени дают порцию кокса для очистки горна или «для очистки печи», в частности, для устранения накопившейся угольной мелочи.

Угли различных марок по-разному ведут себя в печи. Важной характеристикой является содержание углеводородов, каменноугольной смолы, а также летучих компонент угля. Кокс содержит (1,5-2) % летучих. Летучие являются продуктами распада сложных органических веществ, содержащихся в органической массе топлива. В состав летучих веществ, кроме углеводородов, входят также азот N2, кислород О2, водород Н2, окись углерода СО, пары воды, соединения серы. Содержание летучих в углях приведено в следующей таблице 7.1.

Таблица 7.1

Содержание летучих в сортовых углях

Топливо	Выход летучих, % по весу
Обычный метод определения при 8500 в воздушной среде	При 12000 в бескислородной среде
Антрацит	3,9-5,6	6,9-7,5
Тощий уголь	14,3	17,3
Паровично-спекающийся	20,2	22,5
Газовый	39,0	38,3-40,6
Длиннопламенный	46,7	49,6
Анжеро-Судженский ПС	15,7	18,7
Прокопьевский К	20,7	21,0
Черемховский Г	45,6	47,5
Тквибульский бурый	41,3	43,8
Кизеловский	38,4	41,1-50,3
Челябинский	42,8	47,1-50,3
Богословский	46,2	49,3
Якутский богход	90,0-83,6	90,0-91,5

Ряд углей при нагревании переходят в пластическое состояние, размякают. Некоторые угли, освобождаясь от летучих, переходят из пластического состояния в «полукокс», который имеет повышенную прочность; это благоприятный случай для обсуждаемой замены кокса углями. У других (коксующихся) углей из пластического состояния выкристаллизовывается пористый прочный углеродный каркас – получается кокс. Некоторые угли после выделения большого количества летучих превращаются в пористую рыхлую массу, которая рассыпается в мелочь при горении – это неблагоприятный случай.

Тощие угли и антрациты (вообще, геологически более «старые» угли) считаются обычно хорошими заменителями кокса – они близки к коксу по содержанию летучих, по механическим свойствам и по поведению в печи.

В доменной печи, если кокс заменяется углем, то одно из нежелательных явлений состоит в следующем: увеличивается количество углеводородов в колошниковых газах, а затем в воде, с которой контактируют эти газы. Наблюдается как бы загрязнение технической воды нефтепродуктами. Это – один из примеров неполного горения топлива в доменной печи, которое не только приводит к потерям тепла, но и создает экологические проблемы. Отметим, что при последовательной продувке в варианте рис. 2.1 таких явлений не будет. Здесь уголь поступает не в верхние слои шихты, как в домне, но попадает прямо в зону горения, в высокотемпературную зону факелов. Выделяющиеся из угля углеводороды сгорят еще здесь, как в газогенераторе, до СО и Н2, а затем будут дожигаться до СО2 и Н2О в слое окатышей.

Интересно, что замена кокса углем началась и развивается без каких-то новых сведений, открытий, без новых данных. Просто еще недавно существовала твердая уверенность, что в таких процессах нельзя применять уголь, можно использовать исключительно кокс. Устоявшаяся идеология, традиция, не допускала применения угля, и его просто не решались применять. Когда осмелились нарушить традицию, решились все же применить уголь, то выяснилось, что в одних процессах кокс вполне можно заменить углем частично, а в других – даже полностью (например, в некоторых шахтных печах металлургии меди и никеля [23, 24]).

Когда были преодолены психологические, идеологические трудности, процесс замены кокса углем стал быстро распространяться. Раньше просто об этом не догадывались из–за господства установившейся идеологии, ее запретов, «табу», в силу инерции, традиции.

В доменном процессе кокс на несколько процентов заменяется иногда вдуваемой угольной пылью, в других случаях заменяется вдуваемым природным газом, а также и кусковым углем в завалку через колошник. В дутье в ряде случаев добавляется несколько процентов кислорода. Но все такие изменения сейчас считаются допустимыми лишь как малые добавки к традиционному доменному процессу, как поправки, допустимые лишь в таком масштабе, в каком они не затрагивают суть процесса. Существует уверенность, что при превышении такими поправками нескольких процентов наступят какие-то чрезвычайно неблагоприятные разрушительные катаклизмы, расстройства процесса. Вполне вероятно, что такая боязнь также носит во многом идеологический характер, и соответствующие страхи преувеличены, основаны на идеологических «табу», а проценты достигнутых добавок угля, пыли, газа, кислорода будут со временем расти по мере преодоления отмеченных страхов.

Для нашей темы важно то, что аналогичные, но еще более сильные идеологические и психологические препятствия, «табу», запреты выявляются уже при первых же обсуждениях элементов последовательной продувки шихты, которые являются предметом данной книги. Можно предполагать, что после преодоления таких психологических препятствий и разные варианты последовательной продувки также станут быстро распространяться, станут «модными», как сейчас частичная замена кокса углем, и этот процесс также будет «уже не остановить».

7.3. Увлечение шихты потоками дутья

Вызвал дискуссии вариант, в котором куски кокса или угля вводятся в доменную печь через течки над фурмами, и тем самым обеспечивается пополнение коксовой насадки; при этом процесс становится непрерывным, без аномальных периодов, то есть без завалки кокса сверху. Выражалось сомнение в том, что газовые потоки факелов смогут разнести кусковое топливо по всему сечению печи, донести куски топлива до центра печи, и сформировать «насадку» на всей площади сечения. Не опустится ли тяжелая масса металлизованного сырья вплоть до ванны печи и даже до ее дна? В этом случае возникает угроза частичного растворения угольных блоков футеровки лещади в металле, если этот металл дойдет до днища, будучи еще не насыщенным углеродом до предела растворимости (4,3 %).

Интересен и аналогичный более общий вопрос: насколько увлекающие шихту силы газовых потоков могут влиять на перемещение кусковых или сыпучих материалов?

Основной аргумент состоит в том, что давление дутья способно при необходимости даже «поднять» весь столб шихты, и, следовательно, можно заполнять агрегат шихтой снизу, при введении кусковой шихты в нижнюю часть печи. Тем более давление дутья способно замедлить сход массы до такой необходимой скорости, чтобы выгорающее в горне топливо и плавящиеся окатыши замещались потоками кусков топлива, вводимыми через течки или кольцевое пространство Т (см. рис. 3.3), и чтобы освобождающееся здесь пространство не занималось опускающейся шихтой.