Математическое моделирование процесса РОМЕЛТ с целью исследования влияния технологических параметров на показатели процесса

Базовый вариант расчета выбран для печи среднего размера (площадь пода

л

20 м ) при степени дожигания газов в печи - 75%, доле тепла от дожигания, передаваемой шлаковой ванне - 67%.

3 s*

дожигание, тыс.м 6,0 6,5 +8,3 6,2 6,4 +3,2 6,3 6Д -3,2 4,8 4,6 -3,5 Расход дутья на про-дувку, тыс.м3 8,6 8,6 8,8 8,8 8,8 8,8 9,2 9,2 Содержание 02 в дутье на продувку, % 63,3 63,3 62,8 62,8 62,3 62,3 60,5 60,5 Теплопотери через кессоны, ГДж/ч: верх печи 52,3 51,0 -2,6 45,9 44,1 -3,9 50,6 50,6 0,0 50,8 48,2 -5,1 низ печи 12,5 12,6 +0,5 11,3 11,4 +0,9 1М 11,6 +1,8 14,0 14,0 0,0 Производительность, т/ч н/д 11,3 - н/д 11,5 - н/д 11,4 - н/д 10,7 _ Состав газа из печи, %: СО 22,0 22,6 +2,7 29,0 29,2 +0,7 17,5 19,3 +10,3 30,0 28,7 -4,3 со2 37,0 37,7 +1,9 33,0 34,0 +3,0 37,5 34,5 -8,0 25,0 28,4 +13,6 н2 4,8 4,2 -12,5 7,1 5,6 -21,1 5,0 4,6 -8,0 6,5 6,1 -6,2 N2 35,0 35,5 +1,4 30,7 31,1 +1,3 40,0 41,2 +3,0 38,0 36,8 -3,2 Степень дожигания, % 62,7 62,5 -0,3 53,2 53,8 +1Д 68,2 64,1 -5,9 45,5 49,7 +9,4 Состав шлака, %: Si02 45,4 46,0 +1,3 45,1 46,6 +3,3 1 44,4 45,4 +2,3 43,5 44,9 +3,2 CaO 30,9 31,3 +1,3 29,0 29,9 +3,1 | 29,7 31,1 +4,7 30,5 31,4 +3,0 МлО 0,40 0,44 +10,0 0,34 0,38 +11,8 0,34 0,34 0,0 0,30 0,32 +6,7 S 0,030 0,029 -3,3 0,035 0,035 0,0 0,039 0,041 +5,1 0,022 0,022 0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 и 12 13 Р205 0,020 0,019 -5,0 0,020 0,018 -10,0 0,020 0,023 +15,0 0,025 0,024 -4,0 FeO 2,7 2,7 - 3,6 3,6 - 3,8 3,8 - 3,2 3,2 - MgO 5,2 4,7 -9,6 6Д 5,5 6,0 5,4 -10,0 2,9 2,6 -10,3 А120З 14,8 14,6 -1,4 15,3 13,7 -10,5 15,1 13,7 п -9,3 17,0 уТЛ +2,4 ТЮ2 0,21 0,20 -3,8 0,21 0,22 +4,8 0,24 0,24 0,0 0,16 0,17 +6,3 Основность шлака (Ca0/Si02) 0,68 0,68 0,0 0,64 0,63 -1,6 0,67 0,69 +2,2 0,70 0,70 0,0 Состав металла, %: Si н/д 0,012 - н/д 0,012 - н/д 0,013 - н/д 0,014 - Mn н/д 0,010 - н/д 0,008 - н/д 0,008 - н/д 0,016 - Р 0,080 0,073 -8,8 0,084 0,080 -4,8 0,100 0,094 -6,0 0,070 0,053 -24,3 S 0,024 0,024 0,0 0,016 0,016 0,0 1 0,030 0,030 0,0 0,056 0,050 -10,7 Вспомогательные параметры: т.ванна дож _ 53 - 62 - - 51 - - 68 - г.кесеон Дож - 22 - _ 20 - - 21 - _ 26 _ ктаз дож _ 25 - - 18 1 28 - - 6 _ т °с

¦L цщ» ^ _ 1500 - - 1600 - - 1500 - - 1500 - ^со/со. - 1,0 - - 1,0 - - 1,0 - _ 1,0 Я-с - 5,0 - - 10,0 - - 4,0 - - 5,0 - ^ — ' 1 — —" 1

- точность датчиков загрузки угля на ОПУ РОМЕЛТ ± 2 т/ч;

точность измерения расхода кислорода на дожигание ± 500 м3/ч.

Таблица 29 Компонент шихты FeO Ре2Оз МпО Р205 SiOa А1203 СаО СаСОз MgO S Руда Б" 57,5 5,37 76,22 0,065 0,092 10,46 1,08 1,70 - 0,32 0,22 Руда 1 50,0 4,67 66,24 0,103 0,145 16,52 1,71 2,68 - 0,51 0,35 Руда 2 70,0 6,53 92,74 0,003 0,004 0,41 0,04 0,07 - 0,01 0,01 Известняк** 0,35 - 0,50 - 0,023 1,70 0,50 - 96,55 0,70 0,02 Известь 0,60 - 0,85 - 0,039 2,87 0,85 87,66 6,52 1,18 0,034 Зола угла*** 3,28 - 4,68 - 0,339 65,78 18,24 3,79 - 1,89 - - НгОгигр - 7,0%, Н20П1ДР - 4,48%, - Н2Огигр - 10,0%;

- ТЮ2 - 0,7%, КаО - 3,6%, Na20 - 1,0%. Таблица 31 Тип угля А° г10

фикс S к V СО со2 СН4 н* N Sopr Б 15,0 72,42 0,26 1,91 0,95 4,91 2,43 1,79 0,34 12,3 1 27,0 59,68 0,18 4,06 2,03 2,83 2,58 1,46 ОД 8 13Д 2 15,0 59,75 0,26 3,87 1,94 9,95 4,93 3,62 0,69 25,0 3 15,0 49,73 0,26 5,42 2,71 13,95 6,89 5,07 0,97 35,0 Состав сухой массы углей и летучих, % (по массе)

Технический анализ углей, % (по массе)

Таблица 30

Тип угля А0 Vr Сг Нг Nr Ог Ч г Ч г

Оорг Wp Б 15,0 14,5 90,8 4,3 2Д 2,1 0,3 0,4 6,0 1 27,0 18,0 87,8 4,5 2,0 5,2 0,25 0,25 10,0 2 15,0 29,40 81,64 8,72 4,26 4,26 0,3 0,81 6,0 3 15,0 41,18 74,41 12,21 5,96 5,96 0,3 1,14 6,0

Значения основных параметров входных потоков и вспомогательных пара-метров, принятые Б базовом варианте расчета, представлены ниже:

Параметры входных потоков

Расход дутья на продувку шлаковой ванны, м3/ч 12000

Содержание кислорода в дутье на нижние фурмы, % 75,0

Содержание кислорода в дутье на верхние фурмы, % 95,0

Общий расход железосодержащего сырья, кг/ч 66000

Основность шлака (СаО/ЗЮя) В 0,8

Температура шихтовых материалов, °С 25

Температура дутья на нижние фурмы, °С 25

Вспомогательные параметры

Доля влаги, взаимодействующая с углеродом в объеме шлакового расплава, % 0,0

Доля СОг карбонатов, взаимодействующая с углеродом, % 50,0

Содержание оксидов железа в шлаке в пересчете на FeO, % 2,5

Содержание углерода в металле, % 4,5

Доля кислорода дутья на верхние фурмы, реагирующая с углеродом, % 5,0

Доля кислорода дутья на нижние фурмы, окисляющая углерод до СО, % 100

Температура ванны, °С 1500

Температура газа, выходящего из ванны, °С 1500

Коэффициент теплоотдачи шлака кессонам 1 и 2-го ряда, Вт/(м2- К) 281

Доля капельного уноса ог массы пыли, % 10

Доля тепла от дожигания (%), передаваемая:

шлаковой ванне 67,0

кессонам 11,0

отходящим газам 22,0

Пылевынос из печи задан одинаковым для всех шихтовых материалов и составляет 2%.

Материальный баланс плавки в базовом режиме приведен в табл.32.

Таблица 32

Материальный баланс плавки Статьи прихода Числ.

Удельные показатели процесса на I т чугуна приведены в табл.33.

Удельные показатели процесса Расход руды, кг 1831,4 Расход угля, кг 946,0 Расход извести, кг 200,6 Расход кислорода, м3 954,8 Расход воздуха, Mj 90,0 Выход шлака, кг 552,0 Выход пыли, кг 55,9 Выход газа, м3 2044,0 Тепловой баланс шлаковой ванны

Таблица 34 Статьи прихода Числ. значения Статьи расхода Числ. значения МДж/ч % МД)к/ч % 1. Теплосодержание шихты 0 0,0 1. Эндотермические реакции 174539 41,7 2. Теплосодержание дутья на нижние фурмы 0 0,0 2. Теплосьем с кес-сонов 8701 2Д 3. Тепло от горения углерода до СО 89318 21,3 3. Теплосодержание металла 51329 12,2 4. Тепло от горения углерода до СОа 0 0,0 4. Теплосодержание шлака 35728 8,5 5. Тепло от экзотер-мических реакций 3225 0,8 5. Теплосодержание газа 148692 35,5 6, Приход тепла из зоны дожигания 326496 77,9 Всего 419039 100,0 Всего 419043 100,0 Основной статьей прихода тепла в зоне дожигания (табл.35) является дожигание монооксида углерода и водорода (73,5%) кислородом верхних фурм. В расходе тепла основной статьей является теплопередача в ванну (51Д%). С отходящими газами в котел уносится 37,7% тепла зоны дожигания. Окончательное дожита-

Из теплового баланса шлаковой ванны (табл.34) видно, что основная часть тепла - 77,9% - поступает из зоны дожигания. На другой основной источник тепла - горение углерода на нижних фурмах — приходится 21,ЗУ». Поступающее в шлаковый расплав тепло затрачивается главным образом на эндотермические реакции (41,7%) и на нагрев газа, выходящего из ванны (35,5%).

ние газов, покидающих рабочее пространство, осуществляется в котле- утилизаторе, где утилизируется не только физическое, но и химическое тепло отходящих газов.

241 ГДж/ч. Таблица 35 Статьи прихода Числ. значения Статьи расхода Числ. значения МДж/ч % МДж/ч % 1. Физическое тепло газов из ванны 148692 23,3 1, Физическое тепло газов 241031 37,7- 2. Теплосодержание дутья на верхние фурмы 0 0,0 2. Теплосодержание пыли 3104 0,5 3. Тепло от горения углерода летучих и угля до СО в зоне дожигания 20345 3,2 3. Теплосъем с кессонов 68473 10,7 4. Тепло от дожигания СО 342566 53,6 4. Тепло, передаваемое ванне 326496 51,1 5. Тепло от дожигания Н2 126990 19,9 6, Тепло от экзотер-мических реакций 511 ОД Всего 639104 100,0 Всего 639104 100,0 Тепловой баланс зоны дожигания

Химический состав шлака, % (масс.)

Таблица 37 FeO Ti02 MnO К2О Na20 S1O2 AI0O3 СаО MgO S ЦРгО^ 2,5 0,15 0,17 0,34 0,12 48,15 7,94 38,52 1,85 0,049 Г oj:nr Химические составы металла, шлака и пыли приведены в табл.36-38.

Таблица 36

Химический состав металла, % (масс.) Мл Si S I Р 1 С 0,014 0,081 0,027 | 0,033 4,5 Химический состав пыли, % (масс.) FeO Бе20з ТЮ2 МпО К20 Na20 Si02 А1203 CaO MgO S Рз05 С 3,28 46,76 0,18 0,04 5,21 | 1,21 9,77 1,60 7,77 0,37 | 0,22 0,26 23,33 Химический состав газов, выходящих из шлаковой ванны (до дожигания) и из печи (после дожигания), а также их количество (масса и объем) представлены в

табл.39. Таблица 39 Газ до дожигания после дожигания кг/час %(масс.) м3/час % (объем.) кг/час % (масс.) м3/час %(объем.) СО 47935,1 74,52 38148,1 57,15 18358,7 18,42 14271,7 19,38 со2 256,6 0,40 130,65 0,19 54380,4 54,56 28099,8 38,15 Нз 1128,3 1,75 12636,4 18,83 178,9 0,18 2418,5 3,28 Н20 9276,8 14,42 11544,5 17,20 18344,2 18,40 22413,0 30,43 N2 4886,7 7,60 3907,4 5,82 7805,1 7,83 6241,0 8,47 so2 610,0 0,95 213,5 0,32 610,0 0,61 213,5 0,29 СН4 232,4 0,36 325,3 0,48 0,0 0,00 0,0 0,00 Всего 64325,9 100,00 67105,9 100,00 99677,2 100,00 73657,5 100,00 Химический состав газов до и после дожигания

На рис. 33-3 9 показано влияние технологических параметров на показатели процесса.

На рис.33 показано влияние степени дожигания газов (С02+Н20)/(С 02+Н20+С О +Н2) над шлаковой ванной на расходы угля и кислорода, удельную производительность и количество БЭР при различном содержании железа в руде (руда 1, 2 в табл.30). Чем больше степень дожигания и содержание железа в руде, тем лучше удельны& показатели процесса: меньше расход угля, кислорода и величина вторичных энергоресурсов, выше удельная производительность процесса. Удельную производительность на уровне 2 т/(ч-м2) можно получить при степени дожигания 75% и содержании железа в сырье около 60%.

I

Й"

я

50% Рис.33. Зависимость технологических показателей процесса от степени дожигания при различном содержании железа в руде (цифры у кривых, % (по массе)): . ., - известняк; - —- - известь Использование извести обеспечивает более высокие показатели по сравнению с использованием известняка. Это связано с тем, что при использовании известняка тратится тепло на разложение карбонатов и, кате это принято в расчете, около половины выделившегося при их разложении С02 взаимодействует с углеродом по реакции С02+С=2С0. Чем ниже содержание железа в руде, тем большее влияние тип флюса оказывает на изменение показателей. Так, при степени дожигания 70% замена известняка на известь приведет к снижению удельного расхода угля: для руды с содержанием железа 50% на 190 кг/т чугуна, для руды с содержанием железа 70% на 40 кг/т. Снижение удельного расхода кислорода составит соответственно 257 и 56 м7т. Таким образом, использование извести вместо известняка представляется обоснованным, особенно при переработке относительно бедных РУД-

Влияние содержания железа в руде в широком интервале от 50 до 70% (по массе) на основные показатели процесса РОМЕЛТ показано на рис.34. При использовании в качестве флюса известняка увеличение содержания железа в шихте с 50 до 70% хфи .6=1,2 приводит к снижению удельного расхода угля на 530 кг/т (с 1410 до 880), а при .5=0,8 - на 390 кг/т (с 1240 до 850).

Предварительный нагрев руды приводит к значительному снижению расхода энергоносителей (рис.35). Расход угля, кислорода и выход печных газов резко сни-жаются при загрузке в печь руды с температурой выше 100°С. В таком сырье от-сутствует гигроскопическая влага, следовательно, в шлаковой ванне тепло не будет затрачиваться на ее испарение. Дальнейший (свыше 100° С) нагрев приводит к менее резкому снижению удельного расхода энергоносителей и объема газов. За счет предварительного нагрева руды молено достичь достаточно низких расходов угля (-800 кг/т) и кислорода (-750 м7т).

На рис.36 показано влияние степени передачи тепла от дожигания шлаковой ванне (7с";Г) на показатели процесса. Увеличение параметра с 60 до 70%, позволяет снизить расход угля на 120 кг/т (с 1030 до 910), кислорода на 179 м3/т (с 1091 до 912) и ВЭР на 3,2 ГДж/т (с 16,7 до 13,5), и повысить удельную производительность печи на 0,53 т/(ч-м ) (с 1,45 до 1,98). Использование в базовом варианте .. у/В=1>2 - — ^ ~ ~ — В=0,8^ - - 55

60

65

L

I

В.

1,2 1,0 0,8

1600

1300

юоо

700

50

Bf

Ч

О &

В.

70 yiB=l,2 У/ ---------- 55

60

65

50

70 50

l-ч

s

<7">

3500 3000 2500

J 2000

1500 ¦ -- = В=0,8 55

60

65 Рис,34, Зависимость технологических показателей процесса от содержания железа в руде при различной основности шлака (цифры у кривых, CaO/SiOj; известняк; известь

70

55 60 65

содержание железа в руде, %

?

о o,

B н

a

5

i s

?

I ¦

m Э

3 2,5 2

$ 1,5

1

0,5

В =0,8^ X. \ - — -----— 50

,н ?

? 5

а

и

§

р<

1000

200

400

600

800

1000

1150

950

750

550 - ^/60% 80% 90%-^ —< °/о 200

400

600

800 2600

1100

800

1000

200 400 600

температура руды, С Рис.35. Зависимость технологических показателей процесса от температуры руды при различной степени дожигания (цифры у кривых) 60

70

75

80

65 g

й

ft

о ft о R

О

1300 1200 1100 1000 900 800 700

60

65

70

75

80 I

EL>

2,7

2,2 § s

в я

О IT1

& W 1,7 s

1,2 60

65

70

75

60

65

70

т. ванна о/ К-дож г /0

15

SO

s

ft

IT)

80

m Рис.36. Зависимость технологических показателей процесса от степени передачи тепла шлаковой ванне при использовании углей с различным содержанием золы:

- Уголь Б; Уголь 1 расчета в качестве топлива и восстановителя вместо угля Б (Ас~15%, табл.31) более высокозольного угля 1 (Ас~21%, табл.31) приводит к ухудшению технологических показателей процесса. Так, например, при /с®™ равном 67% и степени дожигания 75% такая замена угля следующим образом скажется на показателях процесса РОМЕЛТ: удельный расход угля повысится на 380 кг/т (с 950 до 1330), удельный расход кислорода повысится на 120 м /т (с 963 до 1083), удельные ВЭР увеличатся на 2,2 ГДж/т (с 14,3 до 16,5), удельная производительность печи снизится на 0,3 т/Сч-м2) (с 1,8 до 1,5).

Меньшее содержание летучих компонентов в углях, используемых в процессе РОМЕЛТ, обеспечивает более высокие технологические показатели (рис.37). Расчеты произведены для базового варианта при постоянной производительности. Использованы угли с одинаковым содержанием золы и влаги (угли Б, 2, 3, см. табл.31), но с различным содержанием летучих компонентов - 12,3; 25; 35% на сухую массу, соответственно. Более крутой наклон кривых для угля 3 (F°=35%) объясняется большей степенью зависимости технологических показателей от содержания углерода в летучих компонентах. Соответственно при использовании в процессе РОМЕЛТ углей с высоким содержанием летучих компонентов, важно обеспечить условия, при которых большая часть пиролитического углерода участвовала бы в окислительно-восстановительных процессах в шлаковой ванне. Как показано на рис.37, при использовании в процессе РОМЕЛТ углей с низким содержанием летучих веществ повышение доли практически не влияет на технологические показатели.

Увеличение содержания кислорода в дутье на нижние фурмы (d"*) ври постоянной степени дожигания приводит к снижению расходов угля и кислорода на тонну выплавляемого металла вследствие роста удельной производительности агрегата (рис.38). Следует отметить, что наиболее эффективное снижение энергоносителей наблюдается при увеличении содержания кислорода в дутье нижних фурм до 45%. При этом удельная производительность равномерно увеличивается с возрастанием й^. В случаях, когда существует необходимость в снижении доли кислорода в дутье на нижние фурмы, для сохранения производительности печи на прежнем уровне следует увеличивать степень дожигания газов над ванной. - -V=25% — 20

40

60

80

1,5

1=4 1,3

1,2 u 1,0 0,9 -

R

к ч

§

и! ft

0

100 100

0

$

о

ft

§

о

м 4

и

1400 - 1300 - 1200 - 1100 - 1000 - 900 - -V=35% —V=25% -- V—12а-э/о 20

40

60

80 34 28

22 16 10

——- — -V-12,3% -V=25% —" 20

40

60

80

fin

to

й

100 Рис,37. Зависимость технологических показателей процесса от доли пиролитического углерода, участвующей в окислительно- восстановительных процессах в шлаковой ванне, при использовании ушей с различным содержанием летучих компонентов (цифрыу кривых) 30

40

60

50

70 1050 0 950

•fc а

R

а

ч 8

850

750 30

50

60

70

80

40 о И.

2,0 о

1,2

Я ° a «

31-V

о ....

hQ

&

0,4 50

60

70

40

80

30

90 я §

Й S

so -- - 70

30 40 50 60 70 80

содержание кислорода в дутье на нижние фурмы, % (объем)

Рис.38. , Зависимость технологических показателей процесса от содержания кислорода» дутье на нижние фурмы при:

постоянной производительности;

постоянной степени дожигания. 1. На рис.39 показано изменение показателей процесса РОМЕЛТ с увеличени-ем влажности загружаемого в шлаковый расплав угля (Wy), Расчет проведен для базового варианта при постоянной производительности. В главе 2 была определена зависимость доли влаги угля, взаимодействующей с углеродом при резком нагреве в шлаковой ванне (/4l0), от его влажности. Эта зависимость представлена на верхнем графике рис.39. С увеличением Wy с 0 до 20% (масс.) расход угля на 1 т вы-плавляемого металла увеличивается на 238 кг/т. Расход угля увеличивается главным образом за счет массы влаги, которую он вносит, и незначительно (<30 кг/т металла) за счет взаимодействия его углерода с влагой. Последнее объясняется тем, что величина к^ 0 уменьшается с ростом влажности, и поэтому количество углерода, которое взаимодействует с влагой, будет лишь немного увеличиваться.

Увеличение суммарного удельного расхода кислорода (на 100 нм3/т) и степени дожигания (на 10%) происходит в основном из-за того, что в шлаковой ванне возникает дефицит тепла на покрытие эндотермического эффекта испарения влаги.