Reduced fuel in charge of iron ore agglomeration by supplying a sintered layer and the gas-water mixture

Abstract

The possibility of improving the parameters of the sintering process of iron ore sa charge by the joint submission of the driver and hydrocarbons.

Full Text

Идея частичной замены аглотоплива углеводородным газом впервые появилась еще в 1947 году [1]. Однако практической реализации она не получила из-за воспламенения газообразного топлива не внутри, а над поверхностью слоя спекаемой шихты. Кроме того, были попытки использовать водяной пар или тонкодисперсную воду в процессе агломерации для уменьшения толщины зоны горения и, как следствие, увеличения газопроницаемости спекаемого слоя и производительности процесса. Тем не менее, все предлагавшиеся способы применения воды не дали ожидаемого эффекта [2, 3]. Впервые совместное использование газа и воды было предложено группой авторов [4] для процесса агломерации в производстве свинца. Это позволило, согласно лабораторным [5] и промышленным [6] испытаниям, повысить производительность процесса на 26-60%, вовлечь в переработку окисленные свинецсодержащие промпродукты свинцового и цинкового производств, улучшить качественные показатели агломерата: прочность, пористость, химический состав. Полученные высокие результаты явились предпосылкой для исследования эффективности применения данного метода в агломерационных процессах черной металлургии. Были проведены лабораторные испытания на типовой шихте одного из отечественных предприятий черной металлургии. В качестве исследуемых параметров были приняты: расход аглотоплива (70% коксовой мелочи и 30% нефтекокса) [кг/т шихты] и количество подаваемых в спекаемый слой шихты воды и углеводородного газа (пропана). Шихту перемешивали в грануляторе в течение 3-х мин. и частично увлажняли, а затем доувлажняли до оптимальной влажности и окатывали в течение 5 мин. За 1 мин. до завершения окатывания, на поверхность шихты распыляли 20 мл диспергатора из жидкого стекла, приготовленного по заводской технологии. Такая технология шихтоподготовки позволила получать практически полностью гранулированную шихту с возможностью изменения размера гранул. Подготовленную к спеканию шихту нагревали в электрическом подогревателе до 70 ºС, а затем загружали в агломерационную чашу. Агломерацию осуществляли на лабораторной установке (см. рисунок 1). Рисунок 1. Агломерационная установка для спекания шихты В течение опытов спекания стабилизировали следующие параметры процесса: - высоту слоя шихты 400 мм; - температуру подогрева шихты 70 ºС; - температуру 1240 ºС и продолжительность 2,5 мин. зажигания шихты; - окончание опыта (в момент начала устойчивого снижения температуры отходящих газов под колосниковой решеткой); - охлаждение агломерата после опыта в чаше просасываемым воздухом до 100 ºС. - разрежение под колосниковой решеткой после зажигания - 880-900 мм. вод. ст. При выполнении экспериментов варьировали: - расход аглотоплива (Qк) - 27-43 кг/т шихты - расход дозируемой в слой воды (Qв) - 50-150 мл (3,8-13л/т шихты); - расход дозируемого в слой пропана (Qг) - 3-20 дм3 (в пересчете на метан 0,5-3,8 м3/ т шихты). В процессе экспериментов контролировали: - температуру в спекаемом слое (на глубине 200, 400 мм от поверхности слоя и на границе постель-шихта); - выход годного Вг,% - определяли по прочности методом сбрасывания агломерата по выходу класса +10 мм; - прочность на удар (Пр+5) - испытывали в барабане Рубина (количество оборотов барабана 100 за 4 мин.) по выходу класса +5 мм; - прочность агломерата на истирание (Пр-0,5) по выходу класса -0,5 мм. Лабораторные опыты выполняли на «усовершенствованной» шихте. Шихту загружали в аглочашу, зажигали с помощью короткофакельной горелки и спекали. После перемещения зоны горения на середину слоя, на поверхность шихты подавали воду в количестве 9-17 л/т шихты и газ, при сгорании которого выделялось 51 000 - 94 500 кДж/т шихты. Над слоем газовоздушная смесь не загорается из-за низкой температуры поверхности. Интенсификаторы (газовоздушная смесь и водяной пар) проходят в зону спекания, где при температуре более 1000 ºС происходит процесс конверсии водяного пара на аглотопливе С + Н2О = СО + Н2 Продукты этой реакции сгорают в воздушном потоке СО + 0,5О2 + Q Н2 + 0,5О2 = Н2O +Q, что в сочетании с теплом, выделяющимся при сгорании метана, СН4 + 2О2 = СО2 + Н2O +Q, увеличивает температуру спекания в спекаемом слое и, как следствие, повышает жидкотекучесть образующегося при агломерации расплава. Расплав под действием гравитационных сил и попутного движения газового потока перемещается в нижние слои спекаемого слоя и более интенсивно переносит теплоту в направлении движения процесса спекания, что способствует увеличению вертикальной скорости спекания и уменьшает протяженность горячей зоны. Кроме того, при введении интенсификаторов образуются более тугоплавкие соединения, которые улучшают прочностные показатели. По завершении процесса готовый агломерат охлаждали путем просасывания воздуха, разгружали, анализировали и подвергали испытаниям на прочность. Опыты 1 и 2 выполнялись на заводской шихте при одинаковом расходе аглотоплива на тонну шихты. Отличие опыта 2 от опыта 1 заключалось в том, что в течение спекания в шихту дозировали воду и газ. Таблица 1 Результаты агломерации шихты в лабораторных условиях № оп Аглотопливо, кг/т шихты (Qк) Подача Показатели агломерации Пр, % Температура от поверхности слоя, ºС Вода (Qв) Газ (Qг) Vсп, мм/мин Вг,% Qа, кг/т агл. Пр+5 Пр-0,5 200 мм 400 мм 1 43 - - 28,57 75,49 55,22 81.03 2,26 1285 1115 2 43 min min 25,80 71,36 56,02 80,99 2,28 1400 1340 3 34 - - 28,98 62,79 51,48 78,44 2,42 1275 1165 4 5 6 34 34 34 min max ср ср max ср 23,88 29,63 29,65 70.77 62,93 61,72 45,86 50,80 51,57 79,17 82,37 80,30 2,59 1,89 2,33 1305 1340 1295 1112 1175 1275 Средние значния оп. 4-6 34 + + 27,72 65,14 49,41 80,61 2,27 1313 1187 7 27 min ср 27,34 44,45 57,6 67,72 2,34 1380 1105 8* 27 - - 18,8 36,16 69,0 59,51 3,9 - - 9* 27 ср ср 19,8 49,42 51,6 64,63 3,42 - - П 42,8 - - 25,34 59,57 56,9 79,75 3,7 - - *- высота спекаемого слоя шихты 810 мм; П - производственные значения Как видно из приведенных в таблице 1 данных (оп. 2), при подаче даже минимального количества воды и газа почти все показатели агломерации, за исключением прочности на удар, по сравнению со средними значениями показателей агломерации шихты в базовом режиме спекания ухудшились. По мнению авторов, это связано с повышенным тепловыделением, что приводит к увеличению жидких фаз и, как следствие, снижению газопроницаемости спекаемой шихты. Это подтверждается анализом результатов измерения температуры в спекаемом слое шихты, который показал, что в момент подачи воды и газа температура в слое составляет 1400 ºС, что выше температуры спекания той же шихты в базовом режиме на 115 ºС. В результате снизились почти все показатели спекания шихты. В связи с этим было принято решение снизить содержание агломерационного топлива в шихте при проведении последующих опытов. В опыте 3, выполненном на шихте со сниженным на 20% по сравнению с заводским расходом аглотоплива, вертикальная скорость спекания несколько выше (за счет улучшения газопроницаемости), а выход годного, прочность на истирание и прочность на удар хуже, чем их производственные значения. Частичное ухудшение показателей опыта 3 очевидно обусловлено недостатком в шихте топлива. Опыты 4, 5 и 6 выполняли на той же шихте, что опыт 3, но с дозировкой воды и газа в спекаемый слой. Средние значения показателей агломерации этих лабораторных опытов лучше аналогичных производственных показателей: - Vсп, (мм/мин) 27,72 против 25,34 (выше на 9,4%); - Вг, (%) 65,14 против 59,57 (выше на 9,4%); - Qк, (кг/т агломерата) 49,41 против 56,9 (ниже на 13,2%); - Пр, (%): Пр+5 80,61 против 79,75 (выше на 1,1%); Пр-0,5 2,27 против 3,70 (ниже на 38,7%). Средние значения показателей агломерации в лабораторных опытах 4, 5 и 6 несколько лучше аналогичных показателей в лабораторном опыте 3, за исключением скорости спекания - Vсп, (мм/мин) 27,72 против 28,98 (ниже на 4,3%); лучше аналогичных показателей в лабораторном опыте 3: - Вг, (%) 65,14 против 62,79 (выше на 3,7%); - Qа, (кг/т агломерата) 49,41 против 51,48 (ниже на 4,0%); - Пр, (%): Пр+5 80,61 против 78,44 (выше на 2,8%); Пр-0,5 2,27 против 2,42 (ниже на 6,2%); Кроме того, результаты отдельных опытов показывают, что при спекании шихты с уменьшенным на 20% по сравнению с производственным содержанием твердого топлива, варьированием дозировки воды и газа (оп. 4, 5 и 6) в лабораторных условиях можно достичь еще более высоких показателей агломерации: - Vсп - 29,65 мм/мин (оп. 6); - Вг - 70,77 % (оп.4); - Qк - 45,86 кг/т агломерата (оп.4); - Пр, (%): Пр+5 - 82,37 % (оп.5); Пр-0,5 -1,89% (оп.5). Из этого следует, что варьированием дозировки воды и газа можно улучшить все показатели агломерационного процесса. Однако для достижения этой цели необходимо выполнить опыты по определению оптимальных параметров агломерации производственной шихты в лабораторных условиях, так как это было сделано для свинцовой шихты [5]. Сравнительный анализ результатов отдельных лабораторных опытов, выполненных с дозировкой воды и газа (оп. 4, 5, 6) с существующими производственными показателями показывает, что при достижении значений лабораторных опытов показатели агломерации в производственных условиях улучшатся: - Vсп возрастет с 25, 34 до 29,65 мм/мин (на 17%); - Вг увеличится с 59,57 до 70,77 % (на 18,8%); - Qа снизится с 56,9 до 45,86кг/т агломерата (на 19,4%); - Пр, (%): Пр+5 увеличится с 79,75 до 82,37 % (на 3,3 %); Пр-0,5 уменьшится с 3,7 до 1,89% (на 51,1%). Для определения предельных значений снижения содержания твердого топлива в шихте агломерации выполняли опыт 8, в котором содержание аглотоплива уменьшили до 27 кг на т шихты. Результаты приведены в таблице 1. Как видно, в опыте 8, выполненном с дозировкой воды и газа на шихте содержащей более чем на 35% топлива меньше, чем обычно дозируется в заводских условиях, все показатели агломерации по сравнению с показателями спекания шихты в лабораторных и производственных условиях заметно ухудшились. Сравнивая результаты опытов 8 и 9 можно констатировать, что при спекании слоя шихты высотой 810 мм (в два раза выше, чем в остальных опытах) с подачей воды и газа (оп. 9) по сравнению с агломерацией в базовом для завода режиме без газа и воды (оп. 8) увеличивается Пр+5 - на абс.9%; Qа уменьшается на 34%. Для сравнения аналогичные показатели агломерации этой же шихты при высоте слоя 400 мм (см. оп. 4, 5, 6 по сравнению с оп. 3) изменяются следующим образом: возрастает Пр+5 на 5%; уменьшается Qа на 12,5%. Таким образом, на основании дополнительных опытов с определенной долей уверенности можно заключить, что при многократной подаче воды и газа в спекаемый слой при увеличении слоя шихты до 600 - 800 мм, процесс агломерации будет существенно эффективней, чем при спекании по этой же технологии производственных слоев шихты высотой 400 мм. ВЫВОДЫ: 1. Лабораторные опыты по совершенствованию агломерационного процесса подачей воды и углеводородного газа в спекаемый слой производственной шихты показали принципиальную возможность и целесообразность осуществления этой технологии при спекании шихт в черной металлургии. 2. Установлено, что дозировкой воды и природного газа можно влиять на качественные и количественные показатели агломерационного процесса. 3. При спекании шихты с подачей воды и углеводородного газа для повышения качественных и количественных показателей агломерационного процесса рекомендуется, по сравнению с заводским, снизить содержание аглотоплива. 4. Для достижения лучших показателей агломерационного процесса рекомендуется повысить высоту спекаемого слоя шихты с многократной подачей воды и газа в спекаемый слой. В дальнейшем планируется изучить влияние подачи воды и природного газа на изменение химического состава железорудного агломерата и отходящих газов.