Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 2 )

1. В доменной печи газообразные продукты горения вплоть до колошника контактируют с коксом, горение всюду идет при избытке топлива, поэтому кокс удается сжечь в основном лишь до СО, но не до СО2. Из-за этого печь получает от горения топлива в (2-3) раза меньше тепла.

2. Приходится применять дорогой кокс, который в (2-6) раз дороже угля. Эти два порока вместе делают тепло горения топлива в доменной печи примерно в 10 раз дороже (так как (2-3) • (2-6) »10).

3. Избыток углерода топлива в доменной печи приводит к науглероживанию металла до предела растворимости или до эвтектического состава (до чугуна, с содержанием углерода 4,3 %). Поэтому для получения стали требуется выполнить еще сталеплавильный передел, который нужен в основном для того, чтобы исправить сравнительно небольшой «перебор» доменного процесса, устранить некоторое переуглероживание, перевосстановление металла, которое неизбежно получается в домне, где куски топлива смешаны с кусками рудной компоненты и процессы идут при избытке углерода топлива. Сталеплавильный процесс весьма неэкономичен по балансу тепла, по энергоэкономичности, и поэтому обычно дороже получения металла в домне.

Термины «несообразности» и «врожденные пороки металлургического цикла» мы заимствуем из [16] (стр. 247). При этом в [16] рассматриваются пороки, устраняемые переходом к металлургии твердого тела. Здесь в основном рассматривается устранение пороков в рамках металлургии расплавов.

Если мы рассматриваем лишь физико-химическую схему процесса и не обсуждаем технические сложности, то вполне ясно, что «пороки» нетрудно устранить. Так, агрегат, подобный доменной печи, но со сталеплавильной футеровкой лещади, можно заполнить одними лишь окатышами, а все топливо вводить в виде угольной пыли, вдуваемой в факелы дутья. Отходящие газы при необходимости можно дожигать подачей дополнительного дутья в верхней части печи. В зависимости от величины избытка угольной пыли по сравнению с кислородом дутья мы получим чугун, сталь или железо в соответствии с материальным балансом плавки. В этой схеме сталь получается уже в шахтной печи, без кокса, и при экономичном полном сжигании угля. Такая рядовая сталь будет стоить, например, в 2-3 раза дешевле по сравнению с аналогичным металлом, получаемым в настоящее время.

Возникающие при этом технические сложности отнюдь не являются непреодолимыми. Отладка такого процесса потребует, конечно, большой работы, но вполне реальна. Обоснование этих положений – задача последующих глав книги.

ГЛАВА 2. ПОРОКИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ЦИКЛА

2.1. «Порок 1» – неполное сжигание топлива

Рассмотрим подробнее упомянутые пороки металлургического цикла. Первым пороком можно считать тот факт, что в домне 1), в восстановительной атмосфере, топливо удается сжечь в основном лишь по первой стадии горения, до СО, так как газы до конца своего пути, до колошника, контактируют с кусками топлива. Углерод, будучи всюду в избытке, окисляется преимущественно до СО, а не до СО2. Но теплота горения углерода по первой стадии, до СО (DН 298 = 110 кДж/моль) в 3,56 раза меньше теплоты полного горения до СО2 (DН 298=395 кДж/моль, данные термодинамических таблиц). На первой стадии горения углерода выделяется лишь 28 % тепла (110 / 395).

Еще меньше эта доля для углеводородной части топлива. Если первый предельный углеводород метан СН4, горит при избытке углерода, то он окисляется лишь по первой стадии до СО и Н2, и теплота его горения составляет всего 4 % теплоты полного горения. Остальные 96 % тепла можно получить при дожигании газов, на второй стадии горения.

Поэтому вдувание в доменную печь природного газа, который состоит в основном из СН4, приводит обычно к охлаждению горна и к разогреву шахты печи, где происходит некоторое частичное горение по второй стадии. Вдувание кислорода, наоборот, разогревает горн и охлаждает шахту.

---------------------------------------------------------------------------------

1)  Многие специалисты и патриоты доменного производства считают недопустимо-фамильярным писать «домна», и применяют лишь более уважительное наименование «доменная печь». Мы приносим им извинения за такую нашу вольность.

Хотя в доменной печи реализуется некоторая доля полного сжигания, колошниковые газы содержат небольшие количества СО2 и Н2О, но получаемое тепло обычно оказывается меньше половины возможного. Если, например, колошниковые газы содержат 30 % СО и 10 % СО2, то получаемое тепло горения углерода в 2,2 раза меньше возможного. Если такое соотношение СО и СО2, Н2 и Н2О получается при горении метана, то получаемое тепло почти в 4 раза меньше тепла полного горения. В целом печь получает от горения топлива в (2-3) раза меньше тепла, чем при полном сжигании топлива (подробнее об этом см. в Приложении 1). Основная часть химической энергии топлива теряется с отходящими недоокисленными колошниковыми газами, и лишь примерно треть или половина этой энергии используется печью.

Если мы перейдем к раздельной продувке топлива и окатышей, то на второй части пути печные газы движутся в слое железорудных окатышей, не контактируют с кусками топлива, и эти газы здесь можно дожечь практически полностью. Мы получим в (2-3) раза большую теплоту сгорания топлива. При контактировании газов с загруженными окатышами и высшими окислами железа Fe2О3 и Fe3О4 при температуре 400-500 0С и выше, то газы практически нацело будут окислены до СО2. Некоторые руды, особенно гематитовые, сами способны при повышенной температуре окислять отходящие газы практически полностью до СО2, если они не смешаны с кусками топлива. В других случаях полное сжигание до СО2 и Н2О при данной схеме можно достигнуть, подавая в эту часть печи дополнительное дутье для дожигания газов (схемы агрегатов рассматриваются ниже, в следующей главе 3). Такое дожигание можно реализовать уже при некотором избытке воздуха, так как здесь нет топлива, в данной зоне одни лишь железорудные окатыши (или агломерат). В такой шахтной печи можно достигнуть достаточно полного сгорания топлива до СО2 и Н2О, какое достигается в хорошей угольной топке, в паровом котле и др.

Расчетный расход углерода на получение тонны металла получается равным 600 кг/т при горении до СО, и 202 кг/т при полном горении до СО2 (Приложение 2, задачи 1 и 2)

В доменной печи горение топлива и восстановление окислов железа протекают совместно, хотя для металлизации нужна восстановительная атмосфера (избыток топлива), а для полного сжигания топлива требуется сильнооокислительная атмосфера, избыток кислорода дутья. При последовательной продувке разделены зоны горения топлива и восстановления окислов, зоны окислительной и восстановительной атмосферы, и легче создать оптимальные условия для каждого процесса.

В агрегатах Мидрекс достигается более полное использование химической энергии топлива, в частности, за счет того, что окатыши там не смешаны с твердым топливом, то есть в принципе так же, как и в предлагаемой последовательной продувке. Правда, более полное сжигание топлива в агрегатах Мидрекс достигается за счет применения ценного топлива – природного газа, который становится все более дорогим и дефицитным.

Отметим, что данная «несообразность номер один» современного получения металла (невозможность полного сжигания топлива и соответствующие потери «химического» тепла) часто остается неосознанной. Потери «химического тепла» привлекают мало внимания, мало обсуждаются. Исследователи доменного процесса затрагивают подобные вопросы, когда анализируют преимущества косвенного восстановления (газом) перед прямым восстановлением окислов углеродом, когда обсуждается известный «принцип Грюнера» и др. В других случаях потери химического тепла, видимо, осознаются, но воспринимаются как неизбежные, поэтому их обсуждение считается бесполезным.

Специалисты доменного процесса основное внимание уделяют экономии более понятного физического тепла газов; идет настойчивая борьба за каждые 10 0С повышения температуры дутья и понижения температуры отходящих газов. Увеличивается приход тепла с горячим дутьем и уменьшаются его потери с отходящими газами. В этом отношении доменный процесс доведен до весьма высоких показателей. Температура дутья уже достигает 1200-1300 0С, а температура колошниковых газов понижается до 150-200 0С.

В таких деталях и в частностях доменный процесс быстро совершенствуется, становится высокотехнологичным, даже высоконаучным. Программное обеспечение автоматического регулирования печей совершенствуется, например, каждые 5 лет, сами компьютеры такого управления – каждые 10 лет; конструкции механизмов механического оборудования, огнеупоры, фурмы и др. – каждые 20–40 лет. Но основной принцип процесса сохраняется «от сотворения мира», остается неэффективным, архаическим и сохраняет «врожденные пороки».

Фундаментальная наука – физхимия, применяется достаточно широко, но лишь в «периферийных» вопросах. Коренные вопросы процесса (в том числе и выбор его принципа) обычно решаются на основе очень давно установившейся идеологии, давней традиции, или же на основе чисто эмпирических обобщений. Основной принцип продувки рудотопливной смеси сохраняется тысячелетиями. Физико–химические исследования сосредотачиваются на деталях и частностях процесса, но часто не проникают в центральные вопросы. Поэтому процесс совершенствуется в частностях, но сохраняет несообразности принципа, схемы.

В новых изобретениях важно сохранить не только эффективное использование физического тепла, но и высокую производительность доменной печи, характерную для шахтных печей вообще. Весьма ценны также возможность огромной единичной мощности агрегата и большой межремонтный период, способность непрерывно работать годами без остановок на ремонт. Такие показатели позволяют патриотам доменных печей твердо верить в то, что «доменный процесс незаменим» и снисходительно–иронически относиться к попыткам создания альтернативных способов получения металла.

2.2.  Необходимость кокса

Экономическая смерть ждет предприятия, которые расточительно используют энергоресурсы! И прокуратура ими займется!

Россель

Второй «несообразностью» можно считать то, что в доменной печи приходится применять прочный, высокопористый и, соответственно, дорогой кокс, но не уголь, который в (2-6) раз дешевле кокса (при больших колебаниях цен). Куски топлива в домне должны пройти всю печь (например, 30 м) при высоких механических и термических нагрузках, при пересыпаниях с кусками рудной компоненты, при истирании, горении. Как известно, куски и слои кокса разрыхляют массив шихты, обеспечивают повышенную газопроницаемость массы, прохождение газов по «коксовым карманам» в шихте. Высокопористый кокс с большой поверхностью имеет более высокую реакционную способность по сравнению с углем; кокс интенсивнее восстанавливает прогревающиеся окислы железа в нижних горизонтах печи. Если в шихте мало «разрыхляющего» кокса, то металлизованные окатыши могут дать чрезмерно прочное спекание всей массы и привести к ее «зависаниям», к затруднениям схода шихты.