Разработка методик расчета газодинамических характеристик для анализа и управления агломерационным процессом

На ближайшие десятилетия металлы неизбежно сохранят свою роль основного конструкционного материала. Россия в последние годы (1992 — 1997 гг.) занимает первое место в мире по торговле сталью. Экспорт продукции предприятий металлургического комплекса приносит около 20% валютных поступлений стране [ 1 ].

Как по эффективности использования тепла и степени извлечения железа, так и по производительности никакой процесс: ни ПЖВ (плавка в жидкой ванне), ни непрерывное восстановление с использованием плазмы (кроме, возможно, высокошахтного агрегата с вдуванием в горн вместо газа кислородсодержащей плазмы) несравним с доменным производством. Поэтому, домны, как агрегаты для получения первичного металла-чугуна, будут сохраняться по крайней мере до тех пор, пока природные каменные угли, пригодные для коксования, не будут полностью израсходованы. В связи с этим, учитывая наличие в СНГ и, по крайней мере, в России огромных запасов каменного угля, доменные печи, по-видимому, надолго сохранятся [2, 3]. Доменное производство в странах СНГ практически не отстает от мирового и стратегия его развития — обеспечение доменного производства высококачественным хорошо подготовленным сырьем. Спрос на качественное металлургическое сырье повышается и цена его имеет тенденцию роста [4]. Материалом, обеспечивающим благодаря малой насыпной плотности особо высокую газопроницаемость, является агломерат. Шихта из хорошо спеченного агломерата отличается лучшей, чем все другие шихтовые материалы порозностью [5]. В начале 90* годов в странах Западной Европы и Японии в связи с увеличением предложения мелкокусковых руд, добываемых на богатых заокеанских месторождениях, было принято решение о сооружении крупных аглофабрик и преимущественном применении агломерата в доменной шихте. В целом, для промышленно развитых стран (за исключением США) способ оку-скования руд путем их спекания будет преобладать и в будущем. Это объясняется высокой долей руд для спекания на действующих горнорудных предприятиях [6]. К тому же, в связи со значительным расширением диапазона крупности используемых материалов, перспективным в промышленно развитых странах считается комбинированный (гибридный) способ производства окатышей и агломерата [7].

В 1995 г. производство агломерата в странах СНГ (без учета «Запорожстали») составило 44,1 млн.т. [8].

При производстве агломерата руководствуются следующими требованиями:

— получение продукта (агломерата) с заданными физическими свойствами и химическим составом;

— высокая экономичность производства при низком расходе энергии;

— снижение загрязнения окружающей среды.

Из 22 агломашин аглофабрик СНГ буквально несколько, более или менее, соответствуют современным требованиям. Наиболее новые агломашины имеются на ЗСМК, ЧерМК (фабрики № 2 и 3), НЛМК и КарМК. На остальных фабриках эксплуатируется оборудование, созданное в 40 — 60 — х годах .

Расход коксика в странах СНГ в начале 90* годов в среднем составил около 68 кг /т агломерата (в промышленно развитых странах — 45), а расход электроэнергии -34 кВтч/т агломерата (в промышленно развитых странах -13) [ 7, 9].

Начинающийся с 1990 г. в металлургии России инвестиционный застой (в то время как в США период обновления основных фондов в металлургии составляет 12, в Европе -8 лет, что обеспечивает постоянный технический прогресс и конкурентоспособность металлопродукции) привёл к тому, что цены на электроэнергию, топливо, транспорт в себестоимости металлопродукции возросли с 22,3% до 53,6% в 1996 г. Соответствующий показатель цен электроэнергии, топлива и транспорта в западных странах составляет 24 — 28% в себестоимости металлопродукции. За девять месяцев 1997 г.(в СНГ) цены на электроэнергию возросли ещё на 25%, а цены на металлопродукцию — лишь на 3%.

Необходимо также отметить, что на данный момент установился разный уровень российских и мировых цен (неблагоприятный для России — экспортера) на сырьевые, топливные и энергетические ресурсы для производства металлопродукции (см. табл.1).

Таблица 1.

Средние цены на ресурсы для производства металлопродукции" *.

Наименование Средние цены в долларах.

Россия Мировые Украина.

Железорудное сырье, т 35,5 32,3 23,5.

Уголь коксующийся, т 65,0 53,2 50,4.

Газ природный, 1000 м³ 62,6 90,0 80,0.

Мазут, т 94,6 117,2 91,0.

Электроэнергия, 1000 кВт-ч 49,0 38,0 36,0 х) по данным ВНИКИ б. МВЭС РФ, ИЭЧМ, отчетам предприятий и [ 10 ].

Устаревшие технологии, высокий износ основных фондов, повышенный расход сырьевых и энергетических ресурсов, недостаточная оснащенность предприятий газоводоочистными установками влекут за собой повышенные выбросы веществ и, как следствие, являются причиной неудовлетворительного состояния окружающей среды. Производство агломерата считается одним из экологически неблагополучных.

Учитывая всё вышесказанное, нужно отметить, что в настоящее время на аг-лофабриках России не выполняются требования экономичности и экологичности производства.

Поэтому, в Федеральную программу технического перевооружения и развития металлургии России, основу которой составляет внедрение наилучших технологий, достигнутых мировой практикой, входит и решение экологических проблем, а именно освоение энергосберегающих технологий, утилизация тепла отходящих газов от агломерационных лент, очистка выбросов и сбросов и т. д. 11 ].

В связи с актуальностью проблемы для России, а также в связи с резким удорожанием энергетических ресурсов, возникает настоятельная необходимость разработки и внедрения мероприятий по экономии твердого и газообразного топлива, электроэнергии при производстве агломерата.

Целью данного диссертационного исследования является обобщение имеющегося опыта и научных достижений с дальнейшей разработкой конкретных мероприятий по уменьшению теплои энергозатрат (при обеспечении требований к качеству продукции) и сокращению вредных выбросов при производстве агломерата -, актуальной в настоящее время и в обозримом будущем.

Автор выражает искреннюю признательность докторам технических наук, действительным членам Академии инженерных наук РФ Ю. Г. Ярошенко и Г. М. Майзелю, а также кандидату технических наук В. И. Клейну за советы и замечания, и благодарит коллектив НПВП «ТОРЭКС» за помощь, оказанную в ходе выполнения настоящей работы.

4.5. Выводы.

На основе анализа газодинамики агломашин, осуществленного с помощью статистических производственных данных и работ, в которых представлена информация о газодинамике агломашин, предложено уравнение, позволяющее оперативно определять величину скорости фильтрации ¥-о для использования её в качестве ориентировочной величины в методике расчета горения топлива с учетом развития ОВ-процессов применительно к реальным условиям эксплуатации агломашин. Знание Ж этой величины (и отношения ——) позволяет производить также оценку эффектив.

СП ности тепловой работы агломашины.

Предложена методика, позволяющая в первом приближении на основании имеющихся производственных статистических данных определять изменение скоростей фильтрации по длине машины, необходимая для правильного выбора нового ЗГ или оптимизации параметров в существующем горне.

Представлена методика, с помощью которой можно оперативно по заданным величинам АР, и % определять удельную газоплотность С вакуумной системы агломашины. Она может быть использована в целях контроля качества уплотнений.

Эти методики позволяют достаточно полно описать газодинамику агломерационного процесса и получать данные для выбора нового эксгаустера. Преимущества использования эксгаустера с регулируемым приводом возрастают по мере увеличения глубины регулирования. Поэтому необходимость в проработке проблемы использования эксгаустера с регулируемым приводом возрастает щ>?мещ^к-пользова-ния автоматических систем управления всем технологическим процессом агломерации. Настоящий уровень техники позволяет использовать такой эксгаустер для управления процессом спекания.

Заключение

.

Значительное удорожание энергоносителей, а также большое внимание к защите окружающей среды приводят к необходимости учета всех видов энергоносителей и осуществлению мероприятий по снижению теплои энергозатрат, а также по сокращению вредных выбросов газов и пыли в атмосферу при производстве агломерата.

В диссертации рассмотрен мировой опыт по снижению расхода твердого топлива: за счет подготовки шихтовых материалов и шихты в целомповышения высоты слоя шихты на тележкахиспользования тепла горячего агломератаиспользования тепла отходящих от агломашины газов. Также дан анализ мероприятий по улучшению предварительной очистки газов (применению электрофильтров и упорядочению работы действующих газоочисток сухого и мокрого типов), который показал возрастающую необходимость в реализации автоматизированных систем управления всем технологическим процессом агломерации.

Проведенный анализ литературных данных позволяет отметить отсутствие на данный момент единого, приемлемого для практики метода определения показателей, характеризующих исходную смесь шихтынеобходимость уточнения и развития методики расчета горения топлива и окислительно-восстановительных процессов применительно к реальным условиям эксплуатации той или иной агломашины для оптимизации параметров зажигательного горна (для обеспечения минимума тепло-затрат). Недостаточная изученность вопроса разработки и обоснования конкретных требований к зажигательному горну приводит к тому, что существующие методики не позволяют установить единый, общепризнанный подход к разработке параметров горна (по установлению связи между свойствами шихты, условиями эксплуатации и теплотехническими характеристиками ЗГ).

Определение коэффициентов газодинамического сопротивления слоя на агло-чашах, результаты которых являются лишь первым приближением к реальному процессу, и трудоёмкие промышленные эксперименты по фактическому распределению скоростей фильтрации газов в слое по длине машины, приводят к значительным трудностям в управлении агломашинами с помощью АСУ ТП. Управление технологическим процессом при постоянных колебаниях состава шихты, её влажности и.

128 температуры затруднено, так как в условиях отсутствия математических моделей, дающих возможность адекватно оценивать влияние изменяющихся технологических факторов на показатели агломерационного процесса, не позволяет быстро и своевременно определять новый оптимальный режим.

Использование газодинамической модели поверхностного участка слоя позволяет определять оптимальную величину «глубины внешнего нагрева». При превышении этой величины наблюдается перерасход тепла внешнего источника, при занижении — процесс спекания не получает дальнейшего развития.

Усовершенствованием в модели теплои массообмена, разработанной во ВНИИМТе, является то, что задача решается без учета допущения о низкой концентрации топлива, а следовательно о том, что теплоотдача от топлива к газу и материалу несущественна. Эта возможность появилась благодаря тому, что в численном алгоритме реализации модели потоки тепла из-за изменения теплосодержания материала и газа за счет переноса массы, а также перенос тепла за счет продольной теплопроводности, отнесены к источникам.

На основе данных усовершенствованной математической модели теплои массообмена и проведенного анализа российского и зарубежного опыта эксплуатации зажигательных горнов сформулированы конкретные требования к работе зоны зажигания:

— прогрев верхней части слоя должен осуществляться на глубину 11 до температуры плавления шихты ^ (индивидуальной для каждой шихты).

— необходимо обеспечивать в верхней части слоя количество расплава в пределах 30−50%.

— необходимо обеспечивать минимальные потери тепла в зоне.

Разработанная теплотехническая модель нагрева поверхностного участка слоя позволяет определять длину зоны зажигания в зависимости от температуры зажигания, скорости движения тележек, скорости фильтрации и содержания углерода в шихте и стабилизировать процесс спекания на заданном уровне. Для урощения этого анализа построены соответствующие номограммы.

Зона зажигания на крупной шихте всегда короче, чем на мелкой. Увеличение крупности шихты обусловливает и увеличение скорости фильтрации, а более высокий уровень Уо и 13 не крупной шихте — сокращение времени зажигания х3 по сравнению с мелкой Ц1ихтой. Это приводит к значительному росту доли остаточного углерода Сост в рассматриваемом участке шихтьп При одних и тех же условиях зажигания увеличение крупности шихты приводит к увелй%?нию продолжительности зажигания. Удельный расход теплоносителя в зоне зажигания, определяемый комплексом X, позволяет по заданным tз, Сш и крупности шихты оценивать, в первом приближении, необходимое время для зажигания шихты т3.

Выбор той или иной конструкции горна зависит от того, насколько удачно вписывается та или иная конструкция в существующие «рамки» агломашины и условий её работы, от выбранного температурного режима горна, состава газа и газопроницаемости шихты и др. Например, короткий горн с высокой интенсивностью зажигания, используемый на аглофабриках Японии, можно рассматривать как один из многочисленных вариантов зажигательных горнов, целесообразность применения которого повышается с ростом крупности шихты.

Выбор рабочей температуры зоны предварительного нагрева зависит от крупности шихты.

Время, необходимое для «догорания» углерода после выхода из зоны зажигания, в основном, определяет длину зоны дополнительного нагрева или комбинированного нагрева, выбор параметров которых необходимо прорабатывать при выборе тепловой схемы.

Для определения теплотехнических характеристик горения углерода в агло-шихте с учетом развития ОВ-процессов при помощи разработанной методики необходимы исходные данные, которые включают в себя постоянно контролируемые параметры работы агломашины.

По этой методике вначале корректируются по предварительно составленному материальному балансу процесса спекания агломерата экспериментальные данные по сумме концентраций в газе СОг+СО на эксгаустере, нагрузке агломашины по сухой шихте и количеству газов на эксгаустере при помощи проверочного уравнения. Далее корректируются величины скорости фильтрации, доли подсосов и состав газа (Ог, СОг, СО) на эксгаустере, используя метод итераций. Для этого осуществляется сравнение состава аглогазов на выходе из слоя (необходимо исключить из количества газов на эксгаустере объем газа из горна на входе в слой и подсосы воздуха через неплотности газовоздушного тракта) с рассчитанным по теплотехническим характеристикам горения углерода в аглошихте составом аглогазов на выходе из зоны горения (по ЦСО+СОг) и Ог). После их полного совпадения определяется значение Пег, а также расход кислорода на окисление БеО (АО) индивидуально для любой шихты при реальных условиях эксплуатации.

При подстановке полученных величин (АО, РеОщах) в качестве исходных параметров при расчетах по методике В. И. Коротича показано совпадение аналогичных величин (удельного расхода воздуха на процесс спекания, удельного выхода агломерационного газа из слоя, коэффициента расхода воздуха и т. д.), что свиде.

130 тельствует о правильности подходов к корректировке экспериментальных данных, представленных выше. Таким образом, изложенный методический подход обеспечил распространение и применение методики В. И. Коротича по расчету теплотехнических характеристик при горении топлива и ОВ-процессов и адаптировал её к реальным условиям эксплуатации той или иной агломашины.

В числе исходных данных для теплотехнических расчетов процесса горения топлива с учетом развития ОВ-процессов необходимо знать ориентировочные величины скорости фильтрации и доли подсосов. Прямое измерение скорости фильтрации достаточно затруднено в производственных условиях.

На основе анализа газодинамики агломашин, осуществленного с помощью статистических производственных данных и работ, в которых представлена более полная информация о газодинамике агломашин, в диссертации предложено уравнение, позволяющее оперативно определять величину скорости фильтрации для использования её в качестве ориентировочной величины в методике расчета горения топлива с учетом развития ОВ-процессов применительно к реальным условиям эксцг плуатации агломашин. Знание этой величины (и отношенияг5-) позволяет произвел водить также оценку эффективности тепловой работы агломашины.

В диссертации предложена методика, позволяющая в первом приближении на основании имеющихся статистических производственных данных определять изменение скоростей фильтрации по длине машины, необходимая для правильного выбора конструкции и тепловых режимов ЗГ или оптимизации параметров в горне, подвергаемом реконструкции.

В диссертации представлена методика, с помощью которой можно оперативно по заданным величинам АР, ¥-о и х определять удельную газоплотность С вакуумной системы агломашины. Она может быть использована в целях контроля качества уплотнений.

Эти методики позволяют достаточно полно описать газодинамику агломерационного процесса и могут служить для выбора нового эксгаустера. Преимущества использования эксгаустера с регулируемым приводом возрастают по мере увеличения глубины регулирования. Поэтому необходимость в проработке проблемы использования эксгаустера с регулируемым приводом возрастает по мере использования автоматических систем управления всем технологическим процессом агломерации. Настоящий уровень техники позволяет использовать такой эксгаустер для управления процессом спекания.

Одним из результатов диссертации стало формирование исходных данных на проектирование систем автоматизации на Качканарском ГОКе (приложение 4) с созданием алгоритма и программы оперативного определения усредненных и дискретных параметров агломерационного процесса (приложение 5).

Можно отметить, что по предварительным данным реконструкция аглофаб-рики на Качканарском ГОКе с заменой старых агломашин новыми, автоматизированными, позволит получить существенный экономический эффект, в частности :

— снизить удельный расход природного газа на зажигание на 2 м3/т агл.;

— уменьшить на 4 кВт ч/т агл. расход электроэнергии на привод эксгаустеров;

— уменьшить на 4,2 кг тв. топл./т агломерата за счет реализации задач верхнего уровня АСУ ТП;

Суммарный расчетный экономический эффект от реализации всех мероприятий составляет 13,55 млн. долларов США в год. При этом эффект от реализации систем автоматизации оценивается в 1,5 млн. долларов США в год, в том числе 0,79 млн. долларов за счет реализации задач верхнего уровня АСУ ТП. 1.