Содержание к диссертации
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ 5
ВВЕДЕНИЕ 8
ГЛАВА 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО БАЛАНСОВ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ И ОПРЕДЕЛЕНИЕ
ПУТЕЙ ИХ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ 10
1.1. Методы расчета процесса РОМЕЛТ на основе
МОДИФИЦИРОВАННОГО МЕТОДА А.Н. РАММА 17
МЕТОДЫ ЗОНАЛЬНОГО РАСЧЕТА БАЛАНСОВ ПРОЦЕСА РОМЕЛТ 23
ВЫВОДЫ 30
ГЛАВА 2. ПОВЕДЕНИЕ ВЛАГИ В ПРОЦЕССЕ РОМЕЛТ И ЕЕ
ВЛИЯНИЕ НА ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА 31
экспериментальное определение зоны выделения влаги и летучих компонентов из угля в ванне 31
взаимодействие влаги и углерода в угольной частице 33
Общая схема взаимодействия влаги и углерода в угольной частице 33
Методика эксперимента по определению степени взаимодействия влаги углеродсодержащей ЧАСТИЦЫ С ЕЕ
углеродом 38
2.2.3. Анализ полученных результатов 44
Исследование взаимодействия влаги с углеродом угольной частицы в газовом пузыре в объеме шлакового расплава 47
ВЫВОДЫ 51
ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛНИЕ РОЛИ ЛЕТУЧИХ КОМПОНЕНТОВ УГЛЯ В ОКИСЛИТЕЛЬНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЬГХ ПРОЦЕССАХ В ШЛАКОВОЙ ВАННЕ ПРИ ЖИДКОФАЗНОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ
3.1. Методика расчета состава газа при скоростном пиролизе
угля в оксидном расплаве 54
3.2. Методика эксперимента по определению роли летучих
компонентов угля в процессе жидкофазного восстановления 65
Описание экспериментальной установки 65
Подготовка к эксперименту 65
Проведение эксперимента 67
Методика обработки результатов химического анализа проб железистого шлака 68
Исследование восстановления железа окисью углерода
из шлакового расплава 70
3.5. исследование восстановления железа метаном и водородом '
из шлакового расплава 76
3.6. ВЫВОДЫ 98
ГЛАВА 4. МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАТЕРИАЛЬНОГО И ТЕПЛОВОГО
БАЛАНСОВ И ПОСТРОЕНИЕ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ
ПРОЦЕССА РОМЕЛТ 100
алгоритм расчета 101
исходные данные для расчета 103
параметры входных потоков 103
распределение элементов между металлом, шлаком и пылегазовой фазой 106
Вспомогательные параметры 107
параметры пылевыноса 111
Геометрические размеры печи 112
характеристика шихты 113
4.3. расчет материального баланса процесса 114
общие положения расчета материального баланса 114
Уравнения материального баланса 115
Расчет количеств и составов пыли, шлака и металла ... 124
4.3.4. Расчет количества и состава газа, выходящего
из ванны 125
Расчет необходимого количества кислорода на верхние фурмы 129
Расчет температуры и состава газов после дожигания 131
4.4. Расчет теплового баланса процесса 134
4.4.1. тепловой баланс шлаковой ванны 135
4.4.2.ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС зоны дожигания 140
Расчет дожигания газов в котле-утилизаторе 142
ВЫВОДЫ 144
ГЛАВА 5. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА РОМЕЛТ
И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ 146
проверка адекватности модели 146
Математическое моделирование процесса РОМЕЛТ с целью
ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ НА
ПОКАЗАТЕЛИ ПРОЦЕССА 146
Рекомендации по совершенствованию технологии : 162
Выводы 165
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 166
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 169
ПРИЛОЖЕНИЕ 178
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Московским государственным институтом стали и сплавов с участием ряда организаций отрасли разработан и испытан на опытно-промышленной установке (ОПУ) процесс жидкофазного восстановления железа РОМЕЛТ для производства чугуна из неокускованного железосодержащего сырья с использованием в качестве восстановителя и топлива некоксующихся углей. Интерес к процессу РОМЕЛТ в условиях увеличения стоимости кокса и природного газа, снижения запасов коксующихся углей и богатых железных руд, ужесточения требований к экологической безопасности производства постоянно растет.
Для проектирования и эксплуатации установок РОМЕЛТ необходима методика расчета технологических параметров процесса для различных условий использования, а также как основа автоматизированных систем управления и учебных тренажеров.
Имеющиеся методы расчета основаны на методе А.Н. Рамма и зональном методе, созданном в ходе освоения процесса. Последний является предпочтительным, однако используемые методики имеют ряд недостатков, в частности, отсутствует научно-обоснованный учет поведения влаги и летучих компонентов угля, не учтены результаты последних исследований, программное обеспечение не соответствует современному уровню развития вычислительной техники.
Таким образом, актуальность работы определяется перспективностью внедрения процесса РОМЕЛТ, необходимостью развития его аналитического аппарата и совершенствования технологии.
Целью работы является развитие балансовых методов расчета процесса РОМЕЛТ, создание нового аналитического инструмента и совершенствование технологии процесса.
Для достижения указанной цели автором поставлены задачи: анализа существующих методов расчета процесса РОМЕЛТ и определения направлений их совершенствования; проведения экспериментов для научно-обоснованного выбора настроечных коэффициентов математической модели; усовершенствования методики зонального расчета материального и теплового балансов; разработки матема-
6 тическои модели и программного продукта; исследования на модели влияния технологических параметров на показатели процесса.
Объект исследования: процесс РОМЕЛТ, в частности, поведение влаги и летучих, зональная методика расчета материального и теплового балансов, математическая модель и программный продукт.
Предмет исследования: математические зависимости, используемые в методике зонального расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ; зависимости, характеризующие взаимодействие влаги с углеродом и летучих угля с оксидами железа при скоростном нагреве угля; зависимости расходных показателей процесса, определяющих его экономическую эффективность, от технологических параметров и свойств шихтовых материалов.
Автором выносятся на защиту:
методики и результаты экспериментов по исследованию поведения влаги при скоростном нагреве углеродсодержащих материалов и определению роли летучих компонентов угля;
методика расчета состава газа, выделяющегося при скоростном пиролизе угля;
усовершенствованная методика зонального расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ и математическая модель на ее основе;
результаты моделирования процесса РОМЕЛТ на математической модели и разработанные технологические рекомендации.
Научная новизна работы заключается в следующем:
определена зависимость доли влаги, взаимодействующей с углеродом частицы при ее скоростном нагреве в шлаковом расплаве, от влажности и свойств угле-родсодержащего материала;
определена роль газообразных восстановителей, образующихся при выходе летучих из угля; получена зависимость доли пиролитического углерода, образующегося при термическом разложении углеводородных соединений летучих угля, участвующей в окислительно-восстановительных процессах в шлаковой ванне, от содержания закиси железа в шлаке и температуры;
разработана методика расчета состава газа, выделяющегося при скоростном пиролизе угля в шлаковом расплаве;
- предложена усовершенствованная методика зонального расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ с учетом поведения влаги и летучих угля в процессе восстановления, на основе которой создана новая многофункциональная математическая модель процесса РОМЕЛТ.
Йрактическая значимость. Создан новый программный продукт (свидетельство ФИПС №2004611505 от 18.07.2004 г.), который применяется для расчетов различных технологических режимов процесса РОМЕЛТ при проектировании печей, обучении персонала, а также управлении процессом в составе АСУ ТП. Результаты работы и разработанные рекомендации по совершенствованию технологии могут использоваться при разработке технологической документации для про-мьппленных агрегатов РОМЕЛТ.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 13-й и 14-й Международных конференциях «Экологические проблемы промышленных регионов» (г. Екатеринбург, 2003, 2004 гг.), на научном семинаре лаборатории «Плавки железорудного сырья» (ПЖС) и кафедры «Экономики и менеджмента» (МИСиС, 2003 г.), на Международной конференции «Environmental Protec-tion-2003» в Georgia State University (г. Атланта, Джорджия, США, 2003 г.).
Публикации. Результаты диссертации опубликованы в 4-х статьях и тезисах 5-ти докладов.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы (ПО наименований), приложения и изложена на 120 страницах машинописного текста, содержит 59 рисунков и 42 таблицы.
Введение к работе
В течение длительного периода в ведущих металлургических странах ведется разработка бескоксовых процессов с частичным или полным жидкофазным восстановлением. Одни из них уже доведены до промышленной реализации [1-3], другие - полностью подготовлены к промьппленному использованию [4-8], третьи -прошли стадию опытно-промьппленных испытаний [9-14]. Эти процессы позволяют отказаться от использования кокса, заменив его энергетическим углем, а в некоторых случаях и перерабатывать железные руды и концентраты без специальной подготовки, а также утилизировать металлургические отходы.
Лидирующие позиции, как по максимальному сочетанию преимуществ, так и по степени освоения занимает процесс полностью жидкофазного восстановления железа РОМЕЛТ (Российская плавка), который был предложен Московским институтом стали и сплавов (МИСиС) в 1979 г. Он был реализован в 1985 году на Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК) в опытно-промьппленном мае-штабе (рабочий объем печи 140 м , площадь пода 20 м ). Печь была сконструирована и спроектирована институтом «Стальпроект», а другие системы опытно-промышленной установки московским ГИПРОМЕЗом. Промышленное опробование, разработку технологических режимов и научные исследования на установке проводил творческий коллектив сотрудников МИСиС, НЛМК, Института «Стальпроект», ГИПРОМЕЗа, ВНИИМТа, НПО «Энергосталь», «Центрэнергочермета» под руководством проф. В.А. Роменца. За время работы ОПУ РОМЕЛТ в ходе 42 опытных кампаний было переработано свыше 80 тыс.т. металлургического сырья и отходов.
Кризис в металлургии в начале 90-х годов не позволил осуществить проект строительства промышленной установки РОМЕЛТ и разработчиками были предприняты шаги по продвижению процесса на внешний рынок.
Процесс РОМЕЛТ запатентован во многих странах (США, Япония, Австралия, Бразилия, Турция, Индия, Китай, Канада, Франция, Германия и др.). Интерес к нему проявили ведущие металлургические компании. Лицензии на процесс были приобретены фирмами ICF Kaiser Engineers (США) и Nippon Steel Corp. совместно с Nissho Iwai Corp. (Япония).
В Индии создано российско-индийское совместное предприятие РОМЕЛТ-САИЛ, занимающееся продвижением технологии в Индии. Крупная горно-рудная компания NMDC (Индия) приобрела лицензию на процесс. В настоящее время для нее выполнен базовый проект завода по переработке отходов обогащения железных руд производительностью 300 тыс.т чугуна в год, и готовится контракт на рабочее проектирование и строительство. Кроме этого, ведутся переговоры и пред-проектные проработки по заказам ряда других российских и зарубежных компаний, в частности перспективным направлением является начатое совместно с фирмой Danieli (Италия) проработка проекта строительства завода на базе процесса РОМЕЛТ в Бирме.
Промышленное внедрение процесса РОМЕЛТ требует создания современного аналитического аппарата для расчетов технологических показателей при разработке технических предложений, проектировании установок и управлении ими в условиях промышленного производства при переработке различного сырья.
В связи с этим целью работы является развитие методов расчета процесса РОМЕЛТ, создание новой математической модели на основе усовершенствованной методики расчета и разработка технологических рекомендаций на базе проведенных экспериментов и математического моделирования. Для ее достижения в работе поставлены и решены следующие задачи: проанализированы существующие методы расчета процесса РОМЕЛТ и определены направления их совершенствования (Глава 1), исследовано поведение влаги при скоростном нагреве углеродсо-держащих материалов (Глава 2) и определена роль летучих компонентов угля в процессе восстановления железа (Глава 3), усовершенствована методика зонального расчета материального и теплового балансов процесса РОМЕЛТ и синтезирована новая математическая модель на ее основе (Глава 4), проведены исследования на модели процесса и разработаны рекомендации по совершенствованию технологии (Глава 5).
