Несообразности металлургического цикла. Их устранение (стр. 3 )

При раздельной продувке процесс можно организовать так, что от топлива потребуется лишь способность гореть до СО в факеле дутья или в топливном слое, то есть лишь способность к газогенераторному процессу, в котором и используется обычно кусковой уголь или угольная пыль. Отмеченные преимущества кокса по сравнению с углем становятся несущественными при высокотемпературном газогенераторном процессе. При последовательной продувке топливная зона работает как газогенератор, а зона рудной компоненты – как агрегат «Мидрекс», хотя здесь железорудные окатыши восстанавливаются генераторным, а не природным газом.

Если топливо вводится непосредственно в зону горения горна доменной печи, в газовые потоки факелов, которые начинаются от фурм, то физические свойства топлива обычно несущественны. При температурах порядка 2000 0С быстро сгорит практически любое топливо. Известно, что здесь можно использовать природный газ, а также другой горючий газ, вдувать угольную пыль, продукты нефтепереработки, и др. Здесь преимущества кокса несущественны.

Основной вопрос состоит в следующем: как, минуя шахту печи, доставить все топливо непосредственно в зону горения? Если мы отлаживаем такую доставку топлива прямо в газовые потоки факелов, то тем самым реализуется последовательная продувка топлива и рудной компоненты, становится возможным не только использование любого топлива, но и дожигание отходящих газов и полное использование в печи их химической энергии. В настоящее время, насколько нам известно, эта возможность остается неосознанной. Доменный процесс обычно воспринимается как незаменимый, и, соответственно, незаменимой воспринимается и загрузка кускового топлива сверху, в смеси с рудной компонентой. В этом случае практически незаменим и кокс.

Ниже рассмотрен ряд способов доставить кусковой уголь непосредственно в газовые потоки факелов. Еще одна возможность состоит в том, чтобы все топливо вдувать в печь через фурмы в виде угольной пыли. В небольших количествах такое вдувание пыли широко практикуется, и предлагаемое изменение состоит в том, чтобы вводить этим способом все топливо, а сверху загружать лишь окатыши.

При вдувании угольной пыли достигается высокая скорость горения и газификации топлива благодаря высокоразвитой поверхности реагирования. В этом случае «топливную зону» печи или ее «газогенератор» можно уменьшить до размеров факелов, а все остальное пространство печи использовать как рудную зону, подобную агрегату Мидрекс. Так можно получить более полное использование химической энергии топлива, которое в агрегатах Мидрекс достигается ценой перехода на более дорогое и дефицитное топливо – природный газ.

Две перечисленные несообразности (неполное горение топлива и необходимость кокса, но не угля) делают тепло горения топлива в доменной печи примерно в 10 раз более дорогим по сравнению с хорошей угольной топкой или паровым котлом, то есть по сравнению с такими агрегатами, где, во-первых, топливо сгорает практически полностью (до СО2, Н2О), и, во-вторых, где используется сравнительно дешевый уголь, но не кокс.

Конечно, часть «химического тепла», не полученного в доменной печи, можно получить при дожигании доменного газа в каком-то другом агрегате, например, в скруббере, и использовать в следующем цикле на нагрев дутья. Однако образующийся недостаток тепла в самой печи приходится компенсировать неполным сжиганием дополнительного дорогого кокса, что в 10 раз дороже. Недостаток тепла приходится «оплачивать в десятикратном размере».

2.3. Несообразности печей обжига

Но разве могут такие очевидные вещи

оставаться неосознанными?!

Обсуждаемые несообразности еще яснее видны в случае более простых печей, например, у шахтных печей для обжига руды, сидерита, известняка и др. Такие печи созданы по образцу домны и унаследовали ее пороки. Печь загружается, например, смесью кусков известняка и кокса и отапливается, как и домна, неполным сжиганием кокса. Как и домны, эти печи можно отапливать в 10 раз дешевле полным сжиганием угля, в частности, сжиганием угольной пыли в факелах дутья. В таких печах, в отличие от домны, всюду допустима окислительная атмосфера, поэтому угольную пыль можно уже прямо в факелах сжигать с избытком воздуха, то есть до СО2. Не требуется подавать дополнительное дутье на дожигание газов. Правда, в таких печах температура ниже, чем в домне, и, видимо, потребуется применять более тонкую угольную пыль. Далее, убирая кокс из шахты печи, мы немного уменьшим утилизацию физического тепла отходящих газов, однако соответствующие потери невелики.

В схеме процесса факелы с угольной пылью при недостатке воздуха эквивалентны газогенератору, а при избытке воздуха – угольной топке. Если обогревать такую печь, вдувая в нее горячие продукты горения из угольной топки, то и это отопление будет примерно в 10 раз дешевле современного.

Например, в печи обжига карбоната требуется лишь прогреть шихту до температуры разложения порядка 800 0С. Здесь необходимость кокса нельзя обосновать его прочностью, пористостью, реакционной способностью, противодействием спеканию, разрыхлением шихты и другими аргументами, которые обычно приводятся в пользу кокса, все эти качества в данном процессе несущественны.

Если при обжиге карбонатов (сидерита, известняка и др.) горение идет лишь до СО, и выделяемая карбонатом углекислота СО2 при избытке углерода еще проходит газификацию (С + СО2 = 2СО), то получается еще дополнительное поглощение тепла (175 кДж/моль) и углерода на газификацию. Поэтому в таких процессах «порок 1» (неполное сжигание топлива) приводит к еще большим потерям, чем в домне. При горении до СО2 расчетный расход углерода топлива составляет 130 кг на тонну извести, а при неполном горении до СО – 1180 кг на тонну, в 9 раз больше. (Приложение 2, задача 7).

В обычном варианте процесса обсуждаемый порок выглядит уже прямо-таки вопиющей несообразностью, которая настолько очевидна, что бросается в глаза, но, тем не менее, столетиями остается неисправленной, а обычно и неосознанной, в основном по идеологическим и психологическим причинам, из-за давления очень давней традиции. Мы проявляем поразительную слепоту по отношению к таким несообразностям.

Лишь в последнее время, трудно, медленно и с большими колебаниями начинается работа по частичной замене кокса углем в таких процессах (см. [25, 26]), и в некоторых печах планируется полная замена кокса углем (см. патент [32]). Другими словами, робко и непоследовательно начинается работа по устранению порока 2, но остается нетронутым порок 1 – неполное сжигание твердого топлива.

Пока внутри России природный газ сравнительно дешев, целесообразным оказывается и переход на отопление обсуждаемых печей обжига газом. Но в перспективе и в печах обжига отопление газом должно уступать место отоплению углем, подобно тому, как это происходит в теплоэнергетике. Как известно, принята широкая программа Правительства РФ по замене газа углем на теплоэлектростанциях, предусмотрены крупные капиталовложения - десятки миллиардов долларов.

Обсуждаемые вопросы весьма важны, так как хороший тепловой баланс является решающим условием успеха предлагаемых агрегатов для получения металла. Расчетный расход углерода на получение тонны стали составляет 202 кг/т при полном горении топлива до СО2 и 600 кг/т при горении до СО (Приложение 2 задачи 1, 2). Если же в агрегате нет утилизации тепла отходящих газов (а значит, нет подогрева шихты, поступающей в зону реакций), то при горении до СО расчетный расход углерода возрастает уже до 1750 кг/т. Таковы условия в агрегатах типа «Циклон». Отметим, что обычно интенсивность продувки остается примерно постоянной, поэтому увеличение удельного расхода топлива одновременно означает еще и уменьшение производительности агрегата. Если нет еще и подогрева дутья, то расчетная температура горения составляет лишь 930 0С, и получение жидкого металла становится вообще невозможным, сколько бы топлива мы ни сожгли (Приложение 2, задачи 3, 5). Поэтому процесс Рюмина (получение стали из руды в агрегате типа мартеновской печи) практически был обречен на неудачу с самого начала. Уже простой короткий расчет (в одно действие) типа тех, что выполняются в Приложении 2, может выявить неэффективность ряда предлагаемых процессов.

Упомянутая «поразительная слепота» по отношению к фактам, которые противоречат господствующей социальной идеологии, отмечена социологами [12, 19]. Такие факты часто не проникают в сознание, остаются неосознанными, «попадают в уши, но не проникают дальше». С этим столкнулся, в частности, , когда в 60-70-е годы высказывал положения, противоречащие идеологии того времени (сейчас подобные положения часто выглядят настолько очевидными, что они даже неинтересны; спрос на такие книги сейчас невелик). В нашем случае подобная «поразительная слепота» проявляется под давлением устаревшей господствующей технической идеологии. Мы удивительным образом столетиями не замечаем явную «вопиющую несообразность» – отапливание перечисленных шахтных печей неполным сжиганием кокса, в то время как их можно отапливать в 10 раз дешевле полным сжиганием угля. Эта несообразность тоже, если и «попадает в уши» нам, то «не проникает дальше», в сознание.

В дискуссиях по подобным вопросам часто говорят, что, раз очевидные, казалось бы, улучшения не делаются, то, значит, какие-то Большие Специалисты знают, что этого нельзя делать по тем или иным причинам; вероятно, кто-то обсуждаемые изменения опробовал, и убедился, что они непригодны; если бы улучшения были так просты, их бы давно сделали и др. Но в действительности мы просто не решаемся нарушить традиции совместной продувки компонентов, которые установились в древности, и очень укоренились за прошедшие столетия и тысячелетия. Когда же наконец осмелились начать замену кокса коксоподобным углем (сначала на несколько процентов), то выяснилось, что ничего страшного при этом не происходит.

Главная задача сейчас состоит в том, чтобы осмелиться внести дальнейшие улучшения и в схему отопления печей обжига, и в схему доменного процесса; главные трудности здесь – психологические.

2.4. Переуглероживание металла

«Порок 3» доменной плавки состоит в том, что печь выдает не сталь, а чугун. В процессе плавки смеси кусков топлива и металлизованных окатышей (или агломерата), при избытке топлива первичным продуктом плавления является эвтектический расплав системы железо – углерод с температурой плавления около 1140 0С и содержанием углерода примерно 4,3 %, то есть чугун.