Результаты расчетов параметров процесса на модели

Масса каждой газовой составляющей в газовой смеси после до­жигания определяется выражением:

Степень дожигания газов над ванной составит:

Для проверки адекватности разработанной модели были рассмо­трены два периода стабильной работы опытной установки.

Первый период — производство чугуна из аглоруды. В реактор за­гружали аглоруду в количестве 20 т/ч. В качестве топлива и восста­новителя использовали Анжерский уголь марки ОС. Наилучшее со­впадение эксперимента и расчета достигается- при степени передачи тепла от дожигания шлаковой ванне - 60%, кессонам верхней части реактора - 20%, дымовым газам - 20%; количество подсасываемого в реактор воздуха - 14000 нм3/ч; степень реагирования кислорода дутья верхних фурм с углеродом - 15%.

Второй период - работа в режиме газогенератора Использовался Кузнецкий уголь марки ТР. Наилучшее совпадение расчета с опытом достигается: при степени передачи тепла от дожигания шлаковой ван­не - 25%, кессонам верхней части печи — 45%, дымовым газам - 30%; горение углерода в объеме шлакового расплава происходит до СО; температура шлакового расплава - 1550 °С; пылевынос - 3%, количе­ство подсасываемого в печь воздуха - 8000 нмУч; степень реагирова­ния кислорода дутья верхних фурм с углеродом - 5%.

Низкая степень передачи тепла от дожигания шлаковой ванне в ре­жиме газификации объясняется тем, что основное количество кисло­рода в этом режиме приходит в зону дожигания с подсосами воздуха. При этом горение газа осуществляется фактически под сводом (а не над поверхностью шлакового расплава как в случае дожигания кис­

лородом, подаваемым на верхние фурмы) и фактически не передается расплаву.

Из таблицы видно, что в пределах точности измерений в услови­ях промышленной плавки расчет хорошо совпадает с экспериментом Относительная погрешность по расходу угля составила 0,6-1,0%; по газам - 0,25-30,3%; по расходу кислорода на верхние фурмы - 4,5- 5,3%, по тепловым потерям - 0,2-7,9%

Это позволяет использовать разработанную методику расчета ма­териального и теплового баланса для расчета технологических пара­метров процесса.

Таблица 18 4 Сравнение фактических показателей работы опыт­ной установки с расчетны и и

Базовый вариант расчета выбран для камеры-газификатора с площадью пода 20 м2. Принято, что газификация осуществляется кислородом чистотой 95 %. Расход кислорода на продувку ванны - 14000 нм3/час. Базовый вариант расчета ориентирован на использова­ние стандартного кислородного блока.

Значения основных входных потоков и вспомогательных параме­тров, принятые в базовом варианте расчета, представлены ниже:

Параметры входных потоков

Расход дутья на продувку шлаковой ванны, м3/ч 14000

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

Основность шлака В (Ca0/Si02) 0,8

Температура шихтовых материалов и дутья, °С 25

Вспомогательные параметры

Доля С02 карбонатов, взаимодействующая с углеродом, % 50,0

Содержание оксидов железа в шлаке в пересчете на FeO, % 1,5

Содержание углерода в металле, % 4,5

Доля кислорода дутья нижних фурм,

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 от массы пыли, % 10

Доля тепла от дожигания (%), передаваемая:

- шлаковой ванне 25,0

- кессонам 45,0

- отходящим газам ..30,0

Пылевынос составляет 1% от загрузки шихтовых материалов.

Материальный баланс процесса в базовом режиме приведен в табл.

18.5.

Таблица 18.5 Материальный баланс процесса

Как видно из материального баланса процесса, подачи окислите­ля на верхние фурмы не требуется. То есть в базовом режиме тепла, выделяемого в ванне при окислении углерода до СО, достаточно для обеспечения ее теплового баланса.

Ниже приведен раздельный тепловой баланс шлаковой ванны и зоны дожигания для базового режима газификации угля.

Химический состав газов на выходе из шлаковой ванны и на входе в котел, металла, шлака, пыли, приведены в таблицах 18.8—18.11

Таблица 18 6 Тепловой баланс шлаковой ванны

Таблица 18 7 Тетовой бачанс зоны дожигания

* - без учета связывания серы в пыль

Табчица 18 9 Химический состав металла, % (масс)

Таблица 18 10 Химический состав шлака, % (масс )

Таблица 18 11 Химический состав пыли, % (масс)*

- без учета связывания серы в

Степень дожигания газов составляет 13,35 % Калорийность газов на входе в котел составляет 9710 кДж/нм3. С учетом физического теп­ла газов (температура на входе в котел 1336 °С) их теплотворная спо­собность составляет 11680 кДж/нм3 (2795 ккал).

Химический состав газов после дожигания в котле с а = 1,1 при­веден в таблице 18.12.

Табчица 18 12 Химический состав газов после дожигания в котче (а = 1,1)

* - без учета перехода серы в пыль

Для дожигания газов в котле необходим вентиляторный воздух в количестве 74360 нм3/час

При дожигании газов в котле и включении водоохлаждаемых эле­ментов, расположенных выше уровня шлака, в тепловую схему котла теплосъем с него составит 406,9 ГДж/час (температура дымовых га­зов после котла 200 °С).

Для производства 1 ГДж тепла в виде пара потребляется 34,4 нм3 кислорода и 58,16 кг угля.

Производительность реактора определяется интенсивностью по­дачи окислителя в шлаковую ванну. Интенсивность подачи газоо­бразного окислителя ограничивается наступлением режима пробоя шлаковой ванны струей и резким увеличением выноса угольных ча­стиц из расплава. Экспериментально установлено, что такие режимы возникают при интенсивности продувки ванны около 3000 нм3/м2 в час В то же время, наряду с газообразным окислителем в качестве газифицирующих агентов могут использоваться оксиды металлов. Дополнительное газовыделение при этом происходит, в основном, вне барботажных столбов и не влияет на вынос частиц из расплава и

наступление режима пробоя ванны. Наиболее доступными оксидами, которые могут использоваться в качестве окислителя угля, являются оксиды железа Возможность использования оксидов железа как га­зифицирующего уголь агента была доказана на опытной установке. Степень газификации углерода угля оксидами железа может дости­гать 40 %. То есть, до 40 % углерода, подаваемого в шлаковую ванну, газифицируется при взаимодействии с оксидами железа по реакциям

другим доступным окислителем может быть вода, подаваемая в виде пара или капельной влаги вместе с дутьем на продувочные фур­мы. Возможность использования воды в качестве газифицирующего агента нуждается в экспериментальной проверке.

При использовании в качестве дополнительного окислителя окси­дов железа кроме тепловой энергии производится имеющий устойчи­вый спрос, побочный продукт - чугун. На рис. 18.3-18.4 приведены зависимости технологических показателей процесса от степени ис­пользования для газификации оксидов железа.

При расчете технологических параметров полагали, что в качестве угля используется антрацитовый штыб, в качестве дутья - техниче­ский кислород с содержанием 02 95 % На продувку ванны расход кислорода составляет 14000 нм’’/час, на дожигание - в соответствии с рассчитанным по тепловому балансу процесса Реактор имеет пло­щадь пода 20 м2 Нижняя часть стен охлаждается водой, верхняя ра­ботает на испарительном охлаждении и включена в общую систему с котлом Дожигание газов в котле проводится с а = 1,1, температура дымовых газов после котла — 200 °С. В качестве флюса используется известняк. В качестве материалов, содержащих оксиды железа, ис­пользуется железорудный концентрат Лебединского месторождения

Из рис. 18.3-18.4 видно, что при увеличении степени газификации углерода оксидами железа от 0 до 40 %, почти в два раза увеличивает­ся расход угля. При этом тепловыделение в котле увеличивается при­мерно на 12 %. Такое несоответствие вызвано тем, что увеличиваются потребление тепла на восстановление оксидов железа, теплосодержа­ние образующихся металла и шлака и расход углерода на растворение в жидком железе.

Одновременно с этим снижается объем дымовых газов. Это связа­но с тем, что при увеличении использования оксидов железа в каче­стве окислителя увеличивается расход кислорода на дожигание горю­чих газов непосредственно над шлаковой ванной и требуется меньше воздуха для дожигания в котле

Рисунок. 18.3. Влияние степени газификации углерода оксидами железа на показатели процесса

Рисунок. 18.4. Влияние степени газификации углерода оксидами железа на показатели процесса

Рисунок 18 5 Удельные (на 1 ГДж теплосъема с котла) показатели процесса в зависимости от степени газификации углерода оксидами железа

На рис. 18 5 показаны удельные (на 1 ГДж теплосъема с котла) по­казатели процесса в зависимости от степени газификации углерода оксидами железа.

Очевидно, что с увеличением степени газификации углерода окси­дами железа растут и удельные расходы угля и кислорода на произ­водство энергии.

Тем не менее использование оксидов железа в качестве дополни­тельного окислителя может быть экономически очень эффективно. Это ясно из следующих рассуждений.

Примерная стоимость энергетического угля на середину 2007 г. соста­вила 1500 руб/т. Стоимость чугуна - 9100 руб/т. То есть расход примерно 6 кг угля по стоимости компенсируется производством 1 кг чугуна.

Как видно из рис. 18 6, уже при степени газификации углерода оксидами железа выше 7 %, расход угля на производство 1 кг чугу­на меньше 6 кг. При дальнейшем увеличении степени использова­ния оксидов железа на газификацию угля эта величина снижается до 1 кг на кг чугуна То есть, например, при степени использования окси­дов железа на газификацию 35 % стоимость только одного попутного произведенного чугуна в 6 раз превышает затраты на топливо При этом удельные затраты угля на производство энергии увеличиваются только на 50 %

Детальные экономические расчеты, учитывающие все аспекты процесса, также подтверждают высокую экономическую эффектив­ность использования оксидов железа как газификатора угля

Рисунок 18 6 Удельный расход угля на производство чугуна в зависимости от степени его газификации оксидами железа