Снижение расхода аглотоплива при агломерации железорудной шихты за счет подачи в спекаемый слой воды и газовоздушной смеси

Аннотация

Исследована возможность улучшения параметров агломерационного процесса железорудной шихты путём совместной подачи води и углеводородов.

Полный текст

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.