Что такое доменная печь? Принцип работы и эффективность

Что такое доменная печь?

A Горячая доменная печь представляет собой доменную печь для производства чугуна, в которую подается воздух, который был предварительно нагрет - обычно до 900–1300 ° C - перед подачей в печь через сопла, называемые фурмами, а не воздух комнатной температуры («холодное дутье»). Сам предварительный нагрев происходит в отдельном оборудовании, называемом печью горячего дутья (также известной как печь Каупера), а получаемый в результате нагретый воздух — это то, что называется «горячим дутьем». Почти каждая действующая сегодня доменная печь использует эту систему, потому что предварительно нагретый воздух значительно снижает расход топлива и повышает производительность по сравнению с печами с холодным дутьем, использовавшимися до 1830-х годов.

Это различие имеет значение, поскольку горячее дутье — это не просто незначительная настройка — это одна из немногих инноваций, которые вообще сделали крупномасштабное производство чугуна на коксовом топливе экономически жизнеспособным. Доменные печи, в которые подается воздух, предварительно нагретый до 900–1250 °С, могут обеспечить температуру плавки около 1650 °С, что значительно снижает расход кокса на тонну произведенного чугуна. Понимание того, как работает система горячего дутья и почему температура этого воздуха так важна, является ключом к пониманию эффективности современной доменной печи.

Как работает система горячего дутья

Система доменной печи построена на основе двух взаимосвязанных частей оборудования, работающих вместе: самой доменной печи, в которой происходит реакция плавки, и воздухонагревателей, в которых воздух нагревается еще до того, как он достигнет печи.

Печь горячего дутья (Каупер-печь)

Печь представляет собой вертикальный цилиндрический стальной корпус, облицованный огнеупорным кирпичом, внутренняя часть которого разделена на две камеры: камеру сгорания, в которой сжигаются газы из доменной печи и других источников топлива, и регенеративную камеру, заполненную шахматной конструкцией из огнеупорного кирпича, нагреваемой сгоревшим газом. Эти огнеупорные «шашечные кирпичи» являются теплоаккумулирующим средством — они поглощают тепло во время горения и отдают его позже, когда через них проталкивается свежий воздух.

Цикл подачи газа и дутья

Воздухонагреватель не работает постоянно в одном режиме, а чередует две фазы. В период горения (обжига) топливный газ сжигается для нагрева решетчатого кирпичного термоаккумулятора; в период взрыва воздух нагревается, пропуская его через этот аккумулятор тепла. Во время периода разгрузки дутья свежий воздух прогоняется вентилятором под повышенным давлением через нагретые кирпичи, и после нагревания до температуры 1200°C этот воздух (теперь называемый горячим дутьем) подается в нижнюю часть доменной печи для выплавки железной руды.

Поскольку одна печь не может одновременно нагревать газ и нагревать воздух, большинство доменных печей обслуживаются тремя печами: пока нагреваются две, воздушное дутье проходит через регенеративную камеру третьей печи на пути в доменную печь. Именно такое вращение позволяет доменной печи круглосуточно получать непрерывную, бесперебойную подачу горячего воздуха.

От печи к фурмам

Нагретый воздух поступает от печи к печи через пылепровод, который распределяет его по форсункам горячего дутья или фурмам, установленным вокруг основания печи. Поскольку для обеспечения хорошей эффективности печи температуру горячего дутья необходимо поддерживать постоянной, а по мере остывания печи температура естественным образом падает, горячий дутье смешивается с контролируемой пропорцией холодного дутья в смесительной камере, чтобы поддерживать постоянную температуру подачи, даже когда запасенное тепло отдельной печи израсходовано.

История технологии горячего дутья

Горячий дутье не является современным изобретением: оно датируется началом 19 века и представляет собой один из важнейших прорывов в истории промышленного производства чугуна. До 1820-х годов считалось, что холодный воздух производит железо более высокого качества, чем горячий воздух, главным образом потому, что пониженная влажность в прохладном зимнем воздухе считалась полезной.

Открытие Нильсона 1828 года

Горячее дутье было изобретено и запатентовано для печей по производству железа Джеймсом Бомонтом Нильсоном в 1828 году на металлургическом заводе Уилсонтаун в Шотландии. Нилсон обнаружил, что, увеличив температуру дутья всего до 300°F (149°C), он может снизить расход топлива с 8,06 тонн угля до 5,16 тонн на тонну производимого железа, причем дальнейшее снижение достижимо при более высоких температурах. Результаты были поразительными и быстро проверяемыми в масштабе: Документированные данные Клайдского металлургического завода за период с 1829 по 1833 год показывают, что при выплавке кокса с холодным дутьем использовалось 8,2 тонны угля на тонну железа и производилось 37,5 тонн чугуна на печь в неделю, а при горячем дутье с коксовым углем использование угля до 5,3 тонны и увеличенная производительность до 54,9 тонны в неделю.

Проект печи Каупера 1860 года

Оригинальное оборудование Нильсона имело реальные ограничения. Чугунные трубы, закрепленные внутри кирпичной печи, имели разные характеристики расширения, что привело к появлению трещин в нескольких трубах, а в подающем оборудовании использовались прочные фурмы и гибкие кожаные соединения, которые не выдерживали высоких температур. Лишь в 1860 году англичанин Эдвард Альфред Каупер изобрел первую успешную воздухонагревательную печь — регенеративную конструкцию из клетчатых кирпичей, которая в усовершенствованной форме до сих пор является отраслевым стандартом. Последовавшее за этим быстрое распространение было поразительным: к 1835 году, всего через семь лет после первоначального открытия Нейлсона, горячий воздух стал широко использоваться по всей Великобритании.

Почему подогретый воздух снижает расход кокса

Основная причина, по которой горячий дутье работает, заключается в простой термодинамике: холодный воздух, поступающий в печь, должен быть нагрет за счет сжигания топлива внутри печи, прежде чем он сможет принести какую-либо пользу, в результате чего кокс тратится на простое повышение температуры входящего воздуха. За счет предварительного подогрева дутья перед его поступлением в печь увеличивается погонное тепло в виде явного тепла, что напрямую снижает производительность кокса.

Современные исследования подтверждают, что эта связь сохраняется с очень предсказуемой скоростью. При повышении температуры воздуха на выходе горячего дутья на каждые 100°С можно снизить коксовую долю доменной печи на 4–7 %, увеличить производительность на 3–5 % и соответственно увеличить производительность вдувания угля. В отдельной отраслевой оценке это выражается в абсолютных цифрах: каждые 10°C повышения температуры горячего дутья в шламотрубе снижают расход доменного кокса примерно на 4–6 кг на тонну чугуна.

Именно поэтому по мере развития печной технологии горячее дутье стало необходимым, а не необязательным. Предварительный нагрев дутья до температуры около 1200°C в настоящее время считается необходимым при впрыске пылевидного угля через фурмы, поскольку дутье горячего воздуха обеспечивает более быстрый нагрев, пиролиз угля и сжигание образующихся газообразных продуктов.

Типы конструкций воздухонагревателей

Не все воздухонагреватели устроены одинаково. По различному расположению и конструкции камеры сгорания и регенератора воздухонагреватели обычно делятся на три основные конструктивные формы: внутреннее сгорание, внешнее сгорание и верхнее сгорание. Выбор между ними во многом зависит от того, сколько площади доступно и на какую пиковую температуру горячего дутья ориентируется предприятие.

Печи внутреннего сгорания

В конструкции внутреннего сгорания печь состоит из цилиндрической огнеупорной стены с внутренней вертикальной перегородкой, которая делит единый корпус на камеру сгорания и насадочную камеру, содержащую насадочные кирпичи. Это более компактная традиционная компоновка, но она имеет конструктивное ограничение: конструкция камеры внутреннего сгорания с разделительной перегородкой имеет известное слабое место по углам камеры сгорания.

Печи внешнего сгорания

Печи внешнего сгорания состоят из отдельной камеры сгорания и камеры сгорания, соединенных перемычкой, а не общей внутренней стеной. Разделение двух камер на отдельные оболочки устраняет слабое место внутренней конструкции, связанное с угловым напряжением, и обычно поддерживает более высокие пиковые температуры.

Печи с верхним (купольным) сжиганием

Более новая категория печей вообще не имеет камеры сгорания в общепринятом понимании — они известны как купольные печи, безшахтовые печи или печи Калугина. В целом, технология воздухонагревателей, особенно конструкция и качество ее огнеупоров, за последние годы претерпела значительные улучшения, достигнув уровня зрелости, который обеспечивает срок службы печи более 30 лет для качественно изготовленной печи.

Огнеупорные материалы, используемые в печах горячего дутья

Поскольку в разных зонах печи действуют очень разные температуры, нельзя использовать один огнеупорный кирпич. Выбор материала зависит от того, насколько горячей становится каждая секция камеры насадки.

• Когда целевая температура воздухонагревателя ниже 900°C, обычно достаточно обычного шамотного кирпича.
• Для целевых температур от 900°C до 1100°C в качестве жаропрочной футеровки и рифленого огнеупора следует использовать высокоглиноземистый огнеупорный кирпич, муллитовый кирпич или силлиманитовый кирпич.
• Верхняя часть регенератора, подвергающаяся наибольшему нагреву, обычно строится из кремниевого клетчатого кирпича, средняя часть - из высокоглиноземистого, муллита, силлиманита и андалузита с низкой ползучестью кирпича, а нижняя часть - из глиняного огнеупорного кирпича.

Этот многоуровневый подход — сопоставление марки огнеупора с фактическим теплом, которое испытывает каждая зона, — позволяет одной печи безопасно справляться с температурным градиентом, охватывающим сотни градусов сверху вниз.

Вопросы использования энергии и эффективности

Дутьевые печи экономят огромное количество кокса, но они сами являются значительными потребителями энергии — факт, который часто упускают из виду при оценке общей эффективности доменной печи. Количество доменного газа, необходимого печам, составляет около 40% от общего объема производства доменного газа, а потребление энергии печами может достигать 25% от общего энергопотребления завода.

В пересчете на тонну цифры одинаково красноречивы: Согласно данным шести эффективных систем воздухонагревателей по всему миру, средняя общая потребность в первичной энергии составляет 1,8 ГДж на тонну чугуна для воздухонагревателей по сравнению с 11,6 ГДж на тонну для самой доменной печи. Это означает, что печная система, хотя и меньше в абсолютном энергетическом отношении, чем печь, по-прежнему представляет собой значительную и контролируемую долю в общем энергопотреблении предприятия, и при этом повышение эффективности напрямую приводит к экономии кокса.

Практические улучшения на действующих предприятиях продемонстрировали это в реальных цифрах, а не в теории. Документально подтвержденные результаты оптимизации печных батарей на интегрированных сталелитейных предприятиях в США включают снижение расхода печного топлива на 8–15 кг на тонну чугуна и повышение температуры горячего дутья на 15–30 °C, что приводит к снижению расхода кокса примерно на 6–12 кг на тонну чугуна.

Ключевые рабочие параметры для мониторинга

Для любого, кто эксплуатирует или оценивает систему доменных печей, несколько параметров постоянно определяют, насколько хорошо работают печи и где достигается или теряется эффективность.

1. Температура подачи горячего дутья в дымоходную трубу обычно колеблется от 900 до 1300°C в зависимости от конструкции и состояния печи и является самым важным фактором, влияющим на производительность кокса.
2. Температура камеры сгорания — перед поступлением в секцию хранения шашечных кирпичей отходящие газы смешиваются с воздухом и сгорают при температуре до 1500°С.
3. Продолжительность цикла вращения печей — на большинстве заводов используются 3 печи с 20-минутным циклом нагрева или 4 печи с 15-минутным циклом, и правильное соблюдение этого времени напрямую влияет на то, насколько стабильной остается подаваемая температура дутья.
4. Давление струи на лицевой стороне кирпича с насечкой — свежий воздух обычно подается через кирпичи под повышенным давлением до 10 бар в период разряда струи.
5. Проверьте состояние кирпича и срок службы огнеупорной кампании — деградация здесь снижает эффективность теплопередачи задолго до того, как это становится заметным в показателях производительности, поэтому раннее обнаружение с помощью анализа дымовых газов стало стандартной практикой мониторинга.