Оптимизация режима работы и конструкции шахтной печи известкового производства черной металлургии

Актуальность работы. Производственные мощности отечественных заводов черной металлургии наращиваются темпом 8−9% ежегодно. Устойчивый восходящий тренд мирового производства стали, которое за последние 10 лет возросло на 165%, позволяет прогнозировать дальнейший рост спроса на сырье и оборудование как для основного, так и для вспомогательных производств.

В сталеплавильном и ферросплавном процессах важное место занимает известь, которая применяется в составе твердых шлакообразующих смесей и служит для удаления из расплава фосфора, серы, кремния, марганца. Для производства качественных сталей в установках типа печь-ковш, электропечах и конвертерах требуется известь, отличающаяся высокой активностью, малым временем гашения и низкой зольностью. Отечественные заводы нуждаются в эффективном печном оборудовании с низким энергопотреблением и невысокой стоимостью, позволяющем производить известь, соответствующую мировым стандартам качества.

Преимущественным путем промышленного получения металлургической извести служит обжиг карбонатных пород во вращающихся печах — способ, позволяющий получать известь с активностью более 92% и временем гашения менее 2 минут, как того требует стандарт ИС-1 [34]. Способ производства извести в шахтных газовых печах в практике отечественных предприятий черной металлургии применяется довольно редко, что связано с устаревшим техническим обликом шахтных печей отечественных конструкций. Установки шахтного обжига, изготовленные по типовым проектам 60−70-х годов способны, в основном, к производству извести с активностью не выше 85% и временем гашения от 5 до 25 минут, не пригодной для выпуска качественных сталей. Поэтому сфера их применения ограничивается отраслью строительных материалов, химической и пищевой промышленностью, где эти показатели не столь значимы.

В металлургии длительное время применялись шахтные печи пересыпного типа, где топливом служил металлургический кокс, коксик, антрацит или их смесь. Однако из-за высокой цены на эти виды топлив, дополнительных затрат при транспортировке и хранении известь пересыпных печей оказывается в полтора-два раза дороже, чем та, что произведена в печах, отапливаемых природным газом. Вдобавок, присутствие некоторого количества золы в составе твердого топлива приводит к росту процентных содержаний «вредных» для черной металлургии примесей, в особенности, серы и фосфора, ухудшающих качество стали.

Сегодня крупные мировые инжиниринговые корпорации, такие как «Maerz» («Мерц», Германия), «Cimprogetti» («Симпрогетти», Италия), «Chisaki» («Чисаки», Япония) разработали газовые шахтные печи, не уступающие вращающимся печам в качестве обожженного продукта, но превосходящие их в экономичности. Безусловное лидерство в отрасли захватили двушахтные печи компании «Мерц», имеющие более 500 инсталляций. Поэтому в мировом масштабе возникла тенденция к переходу на шахтный обжиг металлургических известняков, т.к. этот процесс характеризуется высокой тепловой эффективностью, низкими эксплуатационными затратами, малой установочной площадью оборудования, широким диапазоном производительности и крупности обжигаемого известняка (табл. В.1).

Таблица В.1.

Вращающиеся Отечественные Шахтные.

Параметр печи, сухой газовые печи «Maerz» способ шахтные печи и «RCE».

Производительность, т/сут 100−360 30−120 25−850.

Удельные затраты тепла, 2240−2800 980−1120 840−1150 ккал/кг извести.

Крупность сырья, мм 10−50 40−120 10−160.

Остаточное содержание СО2 0−3 5−11,5 1−2 в извести,%.

Время гашения, мин 1−8 5−25 2−20.

На российском рынке, как показывает анализ, основными конкурентными преимуществами печных систем являются низкий удельный расхода топлива, компактность установок и приемлемая стоимость оборудования [99]. Высокие расценки на импортные печи не позволяют рассчитывать на широкое их внедрение на территории России, а качество российских альтернатив недостаточно.

Большое количество работ, проводимых в настоящее время, посвящено совершенствованию старых и разработке новых конструкций отечественных шахтных печей [17, 92, 93, 134]. Существует около 150 действующих российских патентов в области оборудования и способов производства извести, однако целый ряд мероприятий, эффективность использования которых установлена опытом работы некоторых разновидностей шахтных печей зарубежной конструкции [33, 31], а также доменных печей [88, 120, 124], в отечественной практике шахтного обжига известняка применения пока не нашел. Повышенное внимание уделяется и вопросам автоматизации установок обжига известняка [8]. Реализация создаваемых этими мероприятиями возможностей, разработка новых эффективных систем отопления, устройств загрузки и выгрузки, точная режимная настройка шахтных печей требуют глубокого изучения теплотехнических особенностей шахтного обжига и их пристального анализа методами физического и математического моделирования, компьютерного расчета. Недостаточно изученными остаются и некоторые вопросы, касающиеся кинетики диссоциации известняка, аэродинамики шахты, условий движения материала, эффективности сжигания топлива, стойкости футеровок, режимной оптимизации шахтных печей. Все это сдерживает инновационную динамику и увеличивает остроту проектных рисков при реализации новых конструкторских идей в области технологии и оборудования шахтного обжига известняков.

Создание научной основы в эксплуатации слоевых печей неразрывно связано с именем выпускника Горного училища, заведующего кафедрой металлургии академика М. А. Павлова, опубликовавшего результаты своих исследований доменного процесса в работе [104] и издавшего атлас доменных печей [103]. В работах его последователей из Санкт-Петербургского государственного горного института развит целый ряд перспективных методов теплотехнического расчета, математического моделирования и натурного исследования металлургических печей, нашедших широкое применение в инженерном деле [63,98, 121]. Высокую предсказуемость результатам таких расчетов способны придать современные CAD и CAE пакеты компьютерных вычислений, которые были использованы в настоящей работе при изучении процессов, сопровождающих обжиг известняка в шахтной печи.

Исследования выполнялись в соответствии с грантом СПГГИ (ТУ) «Подготовка диссертации на соискание ученой степени кандидата наук» (2004 год), 6.30.00 «Исследование теоретических основ, разработка ресурсосберегающих безопасных технологий с применением компьютерного моделирования в производстве металлов» (I кв. 2005 — IV кв. 2007 г. г.) и хоздоговором ХД 11/2005 «Изучение состава, физико-химических и теплофизических свойств металлургических известняков». Работа соответствует перечню критических технологий РФ в областях «компьютерное моделирование» и «энергосбережение».

Автор диссертационной работы выражает благодарность директору ЗАО «Концерн «Струйные технологии» С. И. Жигач, заместителю директораВ.Е.Никольскому, начальнику отдела 96 012 ЗАО «Металлургический завод «Петросталь» В. А. Русавскому, зам. генерального директора ФГУП «Литейно-прокатный завод» В. П. Стаину за помощь в организации и проведении исследований.

Цель работы. Разработка эффективных теплотехнических и аппаратных решений для реализации процесса обжига металлургического известняка в шахтной печи с получением извести сталеплавильной по стандарту ИС-1.

Основные положения, выносимые на защиту.

1. Учет тепломассообмена между газами и материалом, кинетики химического разложения известняка, выгорания газообразного топлива, гидродинамики газового потока и механики движения дисперсной твердой фазы позволяет синтезировать математическую модель для оптимизации шахтной печи известкового производства.

2. На шахтной печи с прямым профилем футеровки за счет оптимизации конструкции и режима на основе предложенной математической модели реализуется энергосберегающий режим работы и достигается возможность получения металлургической извести высших марок.

Методы исследований. Принятые в работе научные положения базируются на современных представлениях о механизме физико-химических процессов, закономерностях течения газа и фильтрационного горения в плотном газопроницаемом слое, динамики движения гранулированной среды, основополагающих законах теории теплои массообмена.

В работе были использованы теоретические и экспериментальные методы исследований. При проведении анализов химического состава известняков и извести применялись физические, физико-химические и химические методы изучения свойств: атомно-абсорбционный анализ, гравиметрия, титриметрия. Кинетика обжига известняка изучалась методом термогравиметрии. При выводе аналитических зависимостей применены положения теории математического моделирования и системного анализа. В основу режимной настройки печи положен метод многопараметрической оптимизации с ограничениями. При постановке и проведении лабораторных и опытно-промышленных испытаний реализованы методы планирования эксперимента и статистического анализа, использованы заводские методы технологического контроля.

Научная новизна работы:

— синтезирована усовершенствованная математическая модель шахтной печи обжига известняка, решающая задачи оптимизации процесса с учетом тепломассообмена между газами и материалом, кинетики химического разложения известняка, выгорания газообразного топлива, гидродинамики газового потока и механики движения дисперсной твердой фазы;

— дано уточненное математическое описание обжига единичной гранулы карбоната кальция, учитывающее влияние температуры, концентрации углекислого газа в газовой фазе, крупности на скорость диссоциации кускового известняка на разных стадиях обжига, выявлены лимитирующие факторы;

— показана возможность и намечены пути повышения тепловой эффективности шахтной печи за счет изменения характеристик сырья, реконструкции систем загрузки и выгрузки, переноса поясов отопления, режимной настройки, проведена многопараметрическая оптимизация теплового режима известковой шахтной печи;

— обоснован метод интенсификации обжига в шахтной печи и повышения качественных характеристик продукта с использованием прямоточно-противоточного принципа теплообмена в сочетании с нижним контуром рециркуляции печных газов.

Практическая значимость работы:

— предложены принципиальные технические решения для реализации прямоточно-противоточной схемы теплообмена, исполнению узла отвода печных газов и воздуха в нижней части зоны обжига, обходного борова и камер сгорания верхнего пояса;

— выполнен расчет гидродинамики и выгорания топлива для шахтной печи ОАО «МЗ «Петросталь», производительностью 12−20 т/сут, разработаны рекомендации по совершенствованию ее конструкции и режима работыв 2006 г печь реконструирована, в период пусконаладочных работ проведена ее режимная оптимизацияза счет конструктивных и режимных изменений расход газа снижен со 140−145 до 66−73 м3/час, содержание полезных оксидов повышено с 63−75 до 76−84% при прежней производительностиЭкономический эффект за счет экономии газа в розничных ценах 2007 года составляет 1138 тыс. руб/год;

— при разработке проекта строительства шахтной печи производительностью 36−40 т/сут на ФГУП «Литейно-прокатный завод» реализован, предложенный в работе, способ периферийной разгрузки печи через дефлектор с отверстиямииспользована методика пуска и разогрева шахтной печи с выводом на оптимальные параметры работыприменен алгоритм регулирования температуры обжига с поддержанием максимума теплового к.п.д.- по результатам опытно-промышленных испытаний в 2007 г установлено, что содержание активных оксидов в извести составляет не менее 88%. После второй очереди модернизации в сравнении с аналогичными объектами расход газа планируется снизить со 155 до 145 кг.у.т./т извести, что при проектной производительности 40 т/сут даст суммарную экономию 472 тыс. руб/год.

Достоверность результатов работы. Приводимые результаты, выводы и рекомендации обоснованы путем сопоставления результатов численных расчетов, лабораторных анализов, экспериментальных и производственных данных. Эффективность предложенных мероприятий подтверждена в ходе опытно-промышленных испытаний и по итогам внедрения.

Апробация работы. Материалы диссертационной работы докладывались на Международной конференции «Металлургические технологии и экология» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2005) — отраслевом семинаре производителей извести (ОАО «УИК», пос. Угловка, Новгородская обл., 2005) — семинаре «Промышленные печи и высокотемпературные реакторы» (ВО «РЕСТЭК», Санкт-Петербург, 2006) — конференции «Иссеевские чтения» (Санкт-Петербург, 2006) — научно-технических конференциях молодых ученых Санкт-Петербургского государственного горного института (Санкт-Петербург, 2005, и.

2006, 2007) — семинарах кафедр печей, контроля и автоматизации металлургического производства, а также автоматизации технологических процессов и производств СПГГИ (ТУ).

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 6 статьях.

Структура и объем диссертации

Диссертация изложена на 148 страницах машинописного текста (в том числе 36 рис., 23 табл., 3 прил.) и включает введение, четыре главы, выводы, библиографический список из 136 литературных источников.

ВЫВОДЫ.

1. Совокупность процессов, протекающих в шахтной печи, удовлетворительно описывается предложенной системой уравнений, отклонение расчетных значений содержания СаО в извести от экспериментальных и производственных данных не превышает 2%.

2. С помощью разработанной модели диссоциации гранулы могут проводиться исследования обжига известняка в широком диапазоне температур и концентраций СОг в газовой фазе при обжиге гранул различной крупности. Диссоциация гранулы на начальном этапе процесса определяется фактором температуры и лимитируется стадией химической кинетики, а при степени обжига куска свыше 80−85% лимитирующим механизмом обжига становится внутренний массоперенос в поверхностной оболочке извести.

3. Максимально допустимая температура обжига кускового известняка, обеспечивающая получение извести с требуемым временем гашения может быть установлена путем анализа реакционной способности извести, полученной при температурах 900, 1000 и 1300 °C. Для получения сталеплавильной извести марки ИС-1 температура в печи в большинстве случаев не должна превышать 1000−1100 °С, однако обжиг отдельных известняков допустим при температурах свыше 1300 °C.

5. Перспективным направлением совершенствования шахтных печей с прямым профилем футеровки является перевод на прямоточно-противоточный принцип теплообмена и устройство нижнего контура рециркуляции продуктов сгорания с последующим их сжиганием в смеси с топливом и воздухом. При этом производительность реконструируемой печи может быть увеличена на 1520%.

6. Предложен принцип конструкции прямоточно-противоточной шахтной печи с нижним контуром рециркуляции, позволяющей выпускать марочную известь для металлургических нужд с проектным расходом тепловой энергии не более 1040−1080 ккал/т извести.

7. На двух печах обжига известняка внедрена и успешно зарекомендовала себя методика вывода печи на режим и функционирования в рабочем режиме с поддержанием максимума теплового к.п.д. На печи ЗАО «МЗ «Петросталь» достигнуто снижение расхода топлива в 2,3 раза и повышение содержания СаО в извести на 7%. На печи ФГУП «ЛПЗ» опробован способ выгрузки извести через дефлектор с отверстиями, размещенными вдоль стен, сглаживающий различие приосевой и периферийной скоростей материала при центральной разгрузке.