Оценка эффективности проектируемой системы вдувания ПУТ в ДП№7 ОАО НЛМК

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное автономное образовательное 
учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ
ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
Институт ЭкоТех
Кафедра Экстракции и Рециклинга Черных Металлов


Курсовая научно-исследовательская работа на тему:
«Оценка эффективности проектируемой системы вдувания ПУТ в ДП№7 ОАО “НЛМК”»
Разработка проекта системы автоматического вдувания пут в ДП 






                                                               Студент: Логвинова К.В
                                                                               Группа : МЧА-13-1
 Руководитель: Анфимов М.В








Москва  2017 г.



Оглавление
Теоретическая часть	3
1.2 Пути снижения расхода кокса	6
1.4 Состав ПУТ	7
1.5 Установка для приготовления и вдувания ПУТ	11
.4 Вдувание ПУТ в фурмы	13
3 Первые опыты вдувания  пылеугольного топлива на доменных печах ОАО  «НЛМК».	16
4. Проект функциональной автоматизированной системы вдувания ПУТ на ДП№6-7.	23























Теоретическая часть
1.1 Общие понятия о доменном производстве
Доменный процесс представляет собой совокупность механических, физических и физико-химических явлений, протекающих в работающей доменной печи. Загружаемые в доменную печь шихтовые материалы – кокс, железосодержащие компоненты и флюс – в результате протекания доменного процесса превращаются в чугун, шлак и доменный газ.
В химическом отношении доменный процесс является восстановительно-окислительным: из оксидов восстанавливается железо, а окисляются восстановители. Однако доменный процесс принято называть восстановительным, так как цель его состоит в восстановлении оксидов железа до металла.
Агрегатом для осуществления доменного процесса служит печь шахтного типа.(Рисунок 1)

Рисунок 1 Общее устройство доменной печи
Рабочее пространство доменной печи в горизонтальных сечениях имеет круглую форму, а в вертикальном разрезе – своеобразное очертание, называемое профилем.
Важнейшим условием осуществления доменного процесса в рабочем пространстве печи является непрерывное встречное движение и взаимодействие опускающихся шихтовых материалов, загружаемых в печь через колошник, и восходящего потока газов, образующегося в горне при горении углерода кокса в нагретом до 1000 – 1200° С воздухе (дутье), который нагнетается в верхнюю часть горна через расположенные по его окружности фурмы. К дутью может добавляться технический кислород, природный газ.
Кокс поступает в горн нагретым до 1400 – 1500° С. В зонах горения углерод кокса взаимодействует с кислородом дутья. Образующийся в зонах горения диоксид углерода при высокой температуре и избытке углерода неустойчив и превращается в оксид углерода. Таким образом, за пределами зон горения горновой газ состоит только из оксида углерода, азота и небольшого количества водорода, образовавшегося при разложении водяных паров или природного газа. Смесь этих газов, нагретая до 1800 – 2000° С , поднимается вверх и передает тепло материалам, постепенно опускающимся в горн вследствие выгорания кокса, образования чугуна и шлака и периодического выпуска их из доменной печи. При этом газы охлаждаются до 200 – 450° С, а оксид углерода, отнимая кислород из оксидов железа, превращается частично в диоксид углерода, содержание которого в доменном газе на выходе из печи достигает 14 – 20 %.
Шихтовые материалы загружают в доменную печь при помощи засыпного аппарата отдельными подачами. Они располагаются на колошнике чередующимися слоями кокса, руды или агломерата и флюса при работе на не полностью офлюсованном агломерате. Загрузку подач производят через 5 – 8 мин. по мере освобождения пространства на колошнике в результате опускания материалов.
В процессе нагревания опускающихся материалов происходит удаление из них влаги и летучих веществ кокса и разложение карбонатов. Оксиды железа под действием восстановительных газов постепенно переходят от высших степеней окисления к низшим, а затем – в металлическое железо по схеме: Fe2O3  ›  Fe3O4  ›  FeO  ›  Fe.
Свежевосстановленное железо заметно науглероживается еще в твердом состоянии. По мере науглероживания температура плавления его понижается. При температуре 1000 – 1100° С восстановление железа почти заканчивается и начинают восстанавливаться более трудновосстановимые элементы – кремний, марганец и фосфор. Науглероженное железо, содержащее около 4 % углерода и некоторое количество кремния, марганца и фосфора, плавится при температуре 1130 – 1150° С и стекает в виде капель чугуна в горн. В нижней половине шахты начинается образование жидкого шлака из составных частей пустой породы руды и флюса. Понижению температуры плавления шлака способствуют невосстановленные оксиды железа и марганца. В стекающем вниз шлаке под действием возрастающей температуры постепенно расплавляется вся пустая порода и флюс, а после сгорания кокса – и зола.
При взаимодействии жидких продуктов плавки с раскаленным коксом в заплечиках и горне происходит усиленное восстановление кремния, марганца и фосфора из их оксидов, растворенных в шлаке. Здесь же поглощенная металлом в ходе плавки сера переходит в шлак. Железо и фосфор печи полностью восстанавливаются и переходят в чугун, а степень восстановления кремния и марганца и полнота удаления из чугуна серы в большой мере зависят от температурных условий, химического состава шлака и его количества.
Жидкие чугун и шлак разделяются в горне благодаря различным удельным массам. По мере скопления их в горне чугун выпускают через чугунную летку, а шлак – через шлаковые летки (верхний шлак) и чугунную летку во время выпуска чугуна (нижний шлак).
Все перечисленные процессы протекают в доменной печи одновременно, оказывая взаимное влияние.
1.2 Пути снижения расхода кокса
     Первый патент на вдувание измельчённого твёрдого топлива в доменную печь через фурмы выдан в Англии в 1831 г. Аналогичный патент выдан в Германии в 1877 г. Данные о начале практического применения ПУТ разнятся: по одним источникам первые попытки вдувания были предприняты в 1840 г., по другим первое вдувание измельчённого угля в шахтную печь было осуществлено в Канаде при плавке черновой меди в 1911 г.
     Одной из основных задач, которые стоят перед черной металлургией в настоящее время, является снижение себестоимости продукции и уменьшение нагрузки на экологию при ее производстве. Основным решением этих проблем является улучшение показателей доменного передела. В доменном переделе этого можно достичь за счет снижения расхода дорогостоящего кокса. Следует принять во внимание, что запас коксующихся углей ограничен и составляет в среднем 10—15 % от общего запаса угля, что вызвано особенностями их образования. Решение задачи сокращения расхода кокса осуществляется по двум направлениям: сокращение тепло потребности плавки за счет подготовки шихты и улучшение организации технологии; замещение кокса менее дорогими энергоносителями. 

	1.3 Использование пылеугольного топлива
     Затяжной период освоения технологии ПУТ можно объяснить необходимостью разработки сложного и дорогостоящего оборудования для подготовки и вдувания ПУТ, а также успешной конкуренцией со стороны мазута и природного газа. 
     Масштабные экспериментальные работы по вдуванию ПУТ начались в 50—60-е годы ХХ века в США. В то время мазут выполнял ведущую роль в технологии вдувания топлива. Эти опыты положили начало исследованиям доменного процесса с применением пылевидного топлива на промышленных доменных печах СССР. Первые опыты по вдуванию пылеугольного топлива в доменную печь были проведены в 1948 году на доменной печи объемом 427 м3 завода им. Дзержинского в Днепродзержинске под руководством профессора В.И. Логинова. Подготовленная угольная пыль подвозилась к печи в цистернах, откуда перекачивалась в циклон, вмещавший 13—14 тонн пыли. Пыль подавалась в печь через форсунки, установленные в четырех из девяти фурм. При одновременной работе трех форсунок максимальная подача ПУТ достигала 7 т/час. Поскольку цистерна опорожнялась в течение 30—60 мин., то непрерывная подача пыли в печь длилась не более одного часа. В результате опытов установлена возможность и целесообразность вдувания ПУТ в доменную печь, достигнута скорость вдувания в горн печи до 20 т/час. Показано, что вдувание угольной пыли в количестве 5—6 % общего расхода кокса, позволяет уменьшить последний примерно на такую же величину. При вдувании угольной пыли с содержанием золы 16—18 % и 1,7—3 % серы, качество чугуна не ухудшилось. Только после энергетического кризиса в 70-е годы обратили внимание на уголь как на более разумную экономическую альтернативу. Применяемая в 70-х годах ХХ века практика вдувания мазута и других производных нефти обеспечивала расход кокса на уровне 400 кг/т чугуна. Второй нефтяной кризис заставил отказаться от вдувания жидких агентов и резко увеличил потребление кокса. 80-е годы стали периодом быстрого роста строительства установок по вдуванию ПУТ в мире, в основном в Европе и Азии. В Северной Америке популярным стало вдувание природного газа совместно с другими видами жидкого и твёрдого топлива. К концу 80-х вдувание ПУТ значительно потеснило другие виды топлива и в США. В Европе промышленное применение технологии вдувания ПУТ началось лишь в середине XX века, а широкое распространение данная технология получила в 80-е годы XX века.
     1.4 Использование пластмассы
     Известны способы утилизации переработанных отходов пластмасс в металлургических агрегатах. Как основной агрегат используется доменная печь, т.к. она является одним из наилучших агрегатов с точки зрения энерго- и ресурсосбережения. Определяющей задачей доменной технологии является сокращение удельного расхода дорогого и дефицитного кокса. При производстве чугуна одной из технологий сокращения расхода кокса является использование как промышленных, так и бытовых отходов пластмасс. Пластмассы после предварительной подготовки могут вдуваться в горн доменной печи как дополнительное топливо вместе c пылеугольным топливом (ПУТ), обеспечивая высокую степень сгорания топлива и возможность утилизации отходов. Технология переработки пластмасс (в том числе содержащих хлор) впервые была предложена специалистами Московского института стали и сплавов (АС №506628 от 03.03.71). В настоящее время данная технология используется на металлургических заводах Японии, Германии, Индии, Китая.
     1.5 Использование мазута
     На многих доменных печах через воздушные фурмы при помощи форсунок с успехом вдувают в печь мазут. Расход мазута составляет 60 кг/т чугуна. В ряде случаев на больших доменных печах достигали до 90—100 кг/т чугуна. Это топливо вызывает в доменном процессе те же изменения, что и природный газ. При горении мазута в печь вносится больше тепла, чем при горении природного газа, углерод мазута заменяет часть углерода кокса, водород усиливает косвенное восстановление оксидов. Использование мазута повышает производительность доменных печей на 2 % и снижает расход кокса на 10—12 %. 
     Так, в Японии в 1973 году расход мазута в черной металлургии составлял 13,82 млн. тонн, в том числе в доменном производстве 5,41 млн. тонн. 
     1.6 Особенности установок для вдувания пылеугольного и других видов топлива
Использование жидкого топлива, в основном нефти и мазута, становится более сложной задачей, для решения которой необходимо строительство хранилищ, насосных станций, устройств для подогрева топлива, вспомогательных помещений и т. п. Однако экономическая эффективность вдувания жидкого топлива в ряде стран способствует его быстрому промышленному внедрению. Успешно работают с применением нефти и мазута доменные печи Японии, Франции и других стран.
Еще большие капитальные вложения требуются для сооружения установок для вдувания пылеугольного топлива. Стоимость их в 5-7 раз превышает стоимость подобных установок для жидкого и газообразного топлива. Основная часть капиталовложений (до 70%) расходуется на строительство отделений для приготовления угольной пыли. Создание специальных фабрик по приготовлению угольной пыли для обслуживания группы заводов будет способствовать значительному снижению затрат на капитальное строительство.
Эффективность применения дополнительного топлива определяется количеством вдуваемого топлива, коэффициентом замены кокса, стоимостью дополнительного топлива, капитальными и эксплуатационными расходами, связанными с его вдуванием.
О перспективности пылеугольного топлива свидетельствует тот факт, что мировые запасы угля соответствуют 250 годам его потребления на современном уровне, а запасы нефти - всего 35 годам. 
1.4 Состав ПУТ

     Процесс выгорания частиц газового угля характеризуется наличием четырех стадий: разогрева частицы до начала горения летучих веществ, выхода и горения летучих веществ, дальнейшего разогрева и воспламенения углерода, выгорания углерода. Наличие высокого содержания летучих веществ значительно отличает процесс выгорания газовых углей от процесса выгорания антрацитов. Летучие вещества существенно облегчают процесс воспламенения топлива. Частицы пыли, попадая в канал фурмы, прогреваются, выделяют летучие вещества, которые, смешиваясь с окружающими газами, образуют горючую смесь. Данная смесь воспламеняется и приводит к горению самих частиц. Температура воспламенения углей с высоким содержанием летучих веществ составляет порядка 500 К. Частицы газового угля требуют для прогрева и воспламенения меньшего промежутка времени, чем частицы антрацита. При нагреве угольных частиц выход летучих веществ имеет взрывной характер с разбрасыванием газовых струй, а также твердых и жидких выбросов. Для газового угля характерно увеличение объема частиц к моменту окончания выхода летучих веществ, так называемое вспучивание. В период выхода летучих веществ угольное вещество внутри частиц переходит в пластическое состояние, повышается сопротивление выходу газообразных продуктов разложения, возрастает давление внутри частиц и наблюдается выделение вязкого вещества из отдельных пор на поверхности частиц. Такие выделения под действием поверхностных сил вновь притягиваются к частицам, ококсовываются и выгорают. Продолжительность процесса выделения и воспламенения летучих веществ зависит от их содержания в исходном угле для ПУТ, размера сжигаемых частиц и температуры окружающей газовой среды. Горение углерода является самой длительной стадией, которая лимитирует весь процесс горения (90% времени горения частицы). С ростом степени метаморфизма углей (уменьшения содержания летучих веществ) время воспламенения и выгорания углерода увеличивается. Это вызвано тем, что, выделяясь, летучие вещества образуют микропоры, и углерод легче окисляется. Стадии воспламенения и, особенно, выгорания коксового остатка ПУТ требуют максимальной концентрации кислорода. 
     В статье сотрудников Запорожской государственной инженерной академии были произведены расчеты для марок углей, приведенных в таблице 1, максимальной крупности угольных частиц, которые сгорают полностью в доменной печи полезным объемом 1513 м3 за время прохождения участка фурмы (300 мм) и окислительной зоны (1200 мм) без дополнительного расхода кислорода на сжигание ПУТ.
     
Таблица 1 -  Состав и свойства углей для приготовления ПУТ
Марка угля
Состав углей, %
А_a^n
?y, кг/м3
?с, кг/м3
kв.л
kг.л
kв.С
kг.С


Cp

Hp
Op
Np
Sp
Wp
Ap







А (антроцит)
86,6
2,25
0,85
1,20
1,00
0,50
7,60
8,03
1550
1460
-
-
1,63
1,1
Т (тощий)
81,0
3,80
1,00
1,30
1,30
0,50
11,1
12,0
1385
1275
-
-
1,24
0,93
Г (газовый)
70,2
5,20
9,20
2,50
0,30
0,50
12,1
14,7
165
1041
0,82
1,42
1,03
0,80
     
     Получены следующие значения размеров частиц: для антрацита (А) — 20 мкм; тощего угля (Т) —24 мкм; газового угля (Г) — 29 мкм. Из этого следует, что антрацит необходимо подвергать дроблению до более мелких фракций, а газовые угли – до более крупных. С другой стороны, для печей большего объема с большей протяженностью окислительной зоны критические размеры угольной пыли должны пропорционально увеличиваться. 
     При вдувании ПУТ оптимальный гранулометрический состав соответствует содержанию фракции ? 75 мкм — не менее 70 %, остальное — <85 мкм (рисунок 2),

Рисунок 2 - Гистограмма крупности ПУТ, вдуваемого в горн доменной печи
Были проведены расчеты времени горения частиц углей марок А, Т и Г различной крупности с содержанием кислорода в газовой среде 21, 27 и 33 % (таблица 2). 
     По данным таблицы 1 построены графики зависимости длительности сгорания частиц ПУТ от их диаметра (рисунок 3). Видно, что с увеличением тонины помола углей при повышении содержания кислорода в окружающей газовой среде и повышении выхода летучих веществ угля длительность горения частиц сокращается. При обогащении дутья кислородом до величины 33 % длительность горения частицы ПУТ со средним начальным диаметром 50 мкм составляет (рисунок 3): для угля марки А — 0,035 с; угля марки Т — 0,027 с; угля марки Г —    0,025 с. Полученные значения примерно равны времени прохождения частицы угольной пыли участка фурмы и фурменной зоны.
     
Рисунок 3 —Зависимость длительности горения частиц углей от их размера
1.5 Установка для приготовления и вдувания ПУТ
     На сегодняшний день в мире разработано надежное и автоматизированное взрыво-, пожаро- и экологически безопасное оборудование, полностью отвечающее требованиям доменной технологии, а также теории полной и комплексной компенсации, на основе которой возможно создание технологии, обеспечивающей замену пылеугольным топливом до 50% и больше кокса.
     За рубежом используются в основном следующие системы подготовки угля и его вдувания в доменные печи: («Армко», «Бэбкок энд Уилкокс») США, («Петрокарб») США, («Поль Вюрт») Люксембург, («Клёкнер» и «Кюттнер») ФРГ, совместная разработка Гипросталь и НПО Укрэнергочермет г. Харьков.
     Это оборудование отличается методами распределения вдуваемого материала в воздушные фурмы.
     Основные агрегаты и узлы установок для приготовления и вдувания ПУТ выполняют следующие функции:
      Измельчение угля. Уголь необходимо измельчить до чрезвычайно тонких фракций. Наиболее часто используется пылевидный уголь около 60 % которого имеет крупность менее 75 мкм. Вдувается так же зернистый уголь, частицы которого имеют более крупные размеры от 1 до 2 мм. 
      Сушка угля. Уголь обычно содержит значительное количество влаги, которое составляет не менее 8 %, а иногда и более 10 %. При вдувании в доменную печь эта влага будет увеличивать расход топлива, поэтому она должна быть удалена из угля максимально полно.
      Транспортировка ПУТ по трубопроводам. Если частички угля слишком мелкие, то это может затруднить климатическую транспортировку его из-за образования мини-бляшек на стенках трубопроводов. Возможна также утечка угля из трубопроводов из-за неплотностей в местах соединения.

     Вдувание ПУТ с его одинаковым расходом на всех фурмах, то есть равномерное распределение вдуваемого топлива по окружности печи, выполнение этого требования является обязательным для достижения максимально низкого расхода кокса и высокой производительности печи при вдувании, как ПУТ, так и других видов вдуваемого топлива. Надежность применяемого оборудования для приготовления и вдувания ПУТ должна быть на самом высоком уровне.
     Принципиальная схема приготовления и вдувания ПУТ показана на рисунке 7

Рисунок 7—Схема установки для приготовления вдувания ПУТ
     .4 Вдувание ПУТ в фурмы
     Уголь, как правило, вдувается в фурмы при помощи трубки (пики, копья), вводимой через сопло фурменного прибора, воспламеняется и газифицируется. 
     

Рисунок  — Вдувание ПУТ в фурму, схема ввода пики для вдувания ПУТ
     
     Уголь находится в зоне циркуляции в течение очень короткого промежутка времени (около 5—7 миллисекунд), таким образом, характеристики реакции газификации очень важны для эффективности системы вдувания пылеугольного топлива. Газификация угля состоит из нескольких этапов, как показано на рисунке 9.
     

Рисунок 9 — Газификация угля

     Эффективность сжигания вдуваемого пылеугольного топлива зависит от конструкции используемого оборудования, от концентрации кислорода в дутье, от марки используемого угля. Первоначально, для вдувания ПУТ использовали прямые стальные трубки, которые вводили через сопло к месту стыковки сопла с фурмой. Это довольно простая конструкция работает хорошо, но иногда в колошниковом газе обнаруживались частицы «полукокса» (уголь после выделения из него летучих веществ) или «сажи» (мельчайшие частицы углерода, образовавшегося при разложении СО). 
     Для устранения этой проблемы, особенно при высоких расходах пылеугольного топлива, стали применять различные технические решения: 
 коаксиальные трубки с одновременной подачей в них кислорода и пылеугольного топлива; 
 специально разработанные трубки с форсункой на конце для обеспечения большей турбулентности струи пылеугольного топлива на выходе; 
 вдувание пылеугольного топлива в каждую фурму через две трубки; 
 предварительный подогрев пылеугольного топлива перед его вдуванием в фурмы.
     Одной из трудностей, возникающих при вдувании угольной пыли и препятствующих увеличению ее расхода, является сильное абразивное действие пыли на трубы и арматуру подводящего тракта. Наблюдаются отложения угольной золы на наконечнике пики или внутри фурмы. Эти отложения обычно удаляют путем периодической продувки пик воздухом или азотом, отключив для этого подачу пылеугольного топлива и сохранив расход воздуха (или азота).
     Процесс выгорания частиц газового угля характеризуется наличием четырех стадий: разогрева частицы до начала горения летучих веществ, выхода и горения летучих веществ, дальнейшего разогрева и воспламенения углерода, выгорания углерода. Наличие высокого содержания летучих веществ значительно отличает процесс выгорания газовых углей от процесса выгорания антрацитов. Летучие вещества существенно облегчают процесс воспламенения топлива. Частицы пыли, попадая в канал фурмы, прогреваются, выделяют летучие вещества, которые, смешиваясь с окружающими газами, образуют горючую смесь. Данная смесь воспламеняется и приводит к горению самих частиц. Температура воспламенения углей с высоким содержанием летучих веществ составляет порядка 500 К. Частицы газового угля требуют для прогрева и воспламенения меньшего промежутка времени, чем частицы антрацита. При нагреве угольных частиц выход летучих веществ имеет взрывной характер с разбрасыванием газовых струй, а также твердых и жидких выбросов. Для газового угля характерно увеличение объема частиц к моменту окончания выхода летучих веществ, так называемое вспучивание. В период выхода летучих веществ угольное вещество внутри частиц переходит в пластическое состояние, повышается сопротивление выходу газообразных продуктов разложения, возрастает давление внутри частиц и наблюдается выделение вязкого вещества из отдельных пор на поверхности частиц. Такие выделения под действием поверхностных сил вновь притягиваются к частицам, ококсовываются и выгорают.

Рисунок 10 — Зависимость стадий воспламенения (1 — ?в.С) и выгорания (2 — ?г.С) углерода остатка от выхода летучих (Тг = 2200 К; О2 = 21 %; d = 70 мкм)

     Продолжительность процесса выделения и воспламенения летучих веществ зависит от их содержания в исходном угле для ПУТ, размера сжигаемых частиц и температуры окружающей газовой среды. Рост содержания летучих веществ и укрупнение частиц увеличивают время процесса дегазации. При повышении температуры окружающей газовой среды длительность выделения и сгорания летучих веществ уменьшается. По окончании дегазации воспламеняется углерод. Горение углерода является самой длительной стадией, которая лимитирует весь процесс горения (90% времени горения частицы). С ростом степени метаморфизма углей (уменьшения содержания летучих веществ) время воспламенения и выгорания углерода увеличивается (рисунок 10). Это вызвано тем, что, выделяясь, летучие вещества образуют микропоры, и углерод легче окисляется. Стадии воспламенения и, особенно, выгорания коксового остатка ПУТ требуют максимальной концентрации кислорода. 
3 Первые опыты вдувания  пылеугольного топлива на доменных печах ОАО  «НЛМК».


В августе 2013 г. в ОАО «НЛМК» были начаты горячие испытания комплекса приготовления и вдувания пылеугольного топлива (ПУТ) на доменной печи № 5 (ДП-5) объемом 3200 м3.
Технологическая схема комплекса приготовления и вдувания ПУТ представлена на рисунке 13.

1 — бункеры хранения сырого угля; 2 — генератор сушильного газа; 3 — двухвалковая вертикальная мельница «ЛЕШЕ»; 4 — главный рукавный фильтр; 5 — бункер для хранения ПУТ (1000 м3); 6 — инжекционные бункеры для ДП-5; 7 — промежуточные инжекционные бункеры; 8 — бункер для хранения ПУТ (1000 м3); 9 — инжекционные бункеры для ДП-4; 10 — статические распределители.
      
Рисунок 13 — Технологическая схема установки приготовления и вдувания ПУТ в ДП-4 и ДП-5
     В декабре 2013 г. на ДП-5 был достигнут максимум среднесуточного количества ПУТ (1100 т), использованного для вдувания в печь. При этом удельный расход ПУТ составил 133 кг/т чугуна, а удельный расход кокса 319 кг/т. Снижение расхода кокса в зависимости от суммарного расхода вдуваемого топлива соответствует уравнению регрессии. При достаточно высоком уровне горячей прочности кокса (СSR = 61—66 %) на основе обработки статистических данных можно говорить лишь о наличии качественной зависимости суммарного расхода вдуваемого топлива от СSR. Следует отметить, что применение кокса с высоким уровнем горячей прочности позволило сохранить газопроницаемость столба шихты, что, в свою очередь, способствовало (при увеличении расхода дутья) повышению производительности доменной печи.
      Первые месяцы работы печи с применением ПУТ показали возможность дальнейшего увеличения расхода ПУТ до уровня более 150 кг/т с одновременным снижением расхода кокса до 300—310 кг/т.
     В 2014 г. производительность печи снизилась из-за ухудшения состояния системы охлаждения печи. В связи с этим общее количество ПУТ, вдуваемого за сутки в январе-июле 2014 г., не превышало достигнутого максимума, хотя удельный расход ПУТ в отдельные сутки достигал 170 кг/т и более.
     Первый негативный фактор на этапе освоения вдувания ПУТ — потери производства.
План по производству не выполняется с июня 2014 г, когда расход угля превышал 100 кг/т чугуна. Как видно на рисунке, с увеличением расхода – потери производства увеличиваются

     В основном данный фактор объясняется ухудшением работы печи в части газопроницаемости столба шихты вследствие уменьшения толщины коксовых слоев. Сдерживающим фактором при попытках форсировать ход печи – были потери дутья, и повышенная напряженность верхней части печи. Так, например, степень разброса значений верхнего перепада давления и расхода дутья планомерно возрастают от периода без вдувания к периодам с увеличением расхода угля ,что характеризует неустойчивую работу печи по газодинамике.
     Ниже, на рисунке представлена динамика изменения структуры топлива печи. Все значения переведены в эквивалентный расход кокса, и верхняя планка – показывает суммарный расход топлива на печи.
     
      Рисунок 16 — Изменение структуры топлива ДП-4
     Изучая мировой опыт в области технологии вдувания ПУТ, можно отметить, что при работе с повышенными расходами ПУТ — помимо одного из важных критериев для эффективной работы с ПУТ в виде качества кокса, не менее значимую роль играет и организация условий в фурменном очаге обеспечивающих полное сгорание частиц угля, не допуская образование несгоревшего остатка угля за пределами фурменного очага, так называемого «полукокса». Одним из основных факторов, указывающих на увеличение несгораемого угля в печи - является увеличение выноса колошниковой пыли (таблица 8 — строка 13). Как видно, при расходах ПУТ более 150 кг/т чугуна — вынос пыли увеличился практически в три раза относительно базового. Аналогичную тенденцию выявили на ДП-5, причем именно в период, когда печь перевели работу с пониженным обогащением дутья кислородом, ограничив его содержание до 22 %. До этого за 10 месяцев опыта работы ДП-5 — такой факт не наблюдался. Предположительно, увеличение выноса колошниковой пыли обусловлено увеличением образования несгоревшего остатка угля (полукокса) и его выносом через верх печи.
     Исходя из этого, для более точной оценки эффективности горения угля при повышении его расхода, необходимо было рассчитать показатели полноты сгорания для ДП-4 и ДП-5 в периоды их работы с вдуванием угля. 
     Полнота сгорания ПУТ рассчитывалась по уравнению, представленному в работе [8], составленному исходя из следующих допущений:
 Температура газа равна ТТГ перед фурмами, а давление постоянно;
 Температура равна ТТГ перед фурмами, а крупность и плотность угля постоянны;
 На фоне процесса горения ПУТ горением кокса можно пренебречь;
 В качестве реакции горения рассматривается только реакция С+1/2О2=СО, протекающая на поверхности частиц угля;
 Расход газа постоянен и равен расходу после сжигания ПУТ.
     
     Уравнение имеет следующий вид:
     				(1)
     					(2)
где Ei – содержание i-го компонента состава ПУТ (на сухую массу),    доли ед;
         Rg – газовая постоянная (0,082), (м3? атм)/(К?кмоль);
         Х – отношение расхода угля и кислорода, кг/м3;
         D – крупность угля, м;
         ? – насыпная плотность угля, кг/м3;
         YO2 – мольная доля кислорода в дутье;
         Р – давление дутья, атм;
         Т – температура, К;
? – время пребывания угля в области горения, сек (принимается равным 0,01 с.);
         К – константа общей скорости реакции, м/с.
     Константа скорости рассчитывалась по уравнению Аррениуса, которое имеет следующий вид:
     						(3)
     где К0 – пред экспоненциальный множитель, м/с;
        R – универсальная газовая постоянная, Дж/(моль К);
        Е – энергия активации, Дж/моль;
        Т – температура, К.
     
     Значения К0 и Е рассчитываются по уравнениям, полученными путем статистической обработки данных, представленных в работе [2].
     Для анализируемых периодов на ДП-4 показатель полноты сгорания ПУТ меняется следующим образом:
Таблица 10 — Показатели полноты сгорания пылеугольного топлива на ДП № 4
Расход ПУТ, кг/т чугуна
     0
0 – 150
150 – 175
150 – 190
Коэффициент полноты сгорания ПУТ
     -
0,75
0,67
0,65
     
     Видно, что на ДП-4, в условиях поэтапного наращивания объемов вдувания ПУТ — коэффициент полноты сгорания практически линейно снижается. Для более детальной оценки этого явления были построены некоторые зависимости (рисунок 18, 19, 20).
     На основании оценки месячных периодов был подтвержден факт, что при низком коэффициенте полноты сгорания (менее 0,70) вынос колошниковой пыли увеличивается. 
     
Таблица 2— Технические показатели работы доменной печи № 4

Без ПУТ
ПУТ 150-175
1 Производство чугуна т/сутки
6082
5385
2 Расход кокса, кг/т
383
313
3 ПГ, м3/т
125
37
4 ПУТ, кг/т
0
151
5 Суммарный расход топлива, кг/т
483
463
6 Содержание О2, %
29,8
27,3
7 Расход дутья, м3/мин
4085
3864
8 Укладка по Si 0,3-0,5 %
73,93
50,02

Результаты опыта вдувания пылеугольного топлива на ДП№4 ОАО «НЛМК» способствует снижению расхода кокса и природного газа и соответственно, снижению себестоимости чугуна. (Таблица 4)

Таблица 3-Показатели работы доменной печи № 4 ОАО «НЛМК» в 2014 году до и после внедрения технологии ПУТ
Месяц
Себестоимость, тыс. руб.
ПУТ, кг/т
Кокс всего, кг/т.
Природный газ, м?/т
О2 тех., м?/т
Пр-ть, т/сутки
январь
9403,87
0
386,00
134,00
121,00
5884
февраль
9658,47
0
379,00
127,00
123,00
6031
март
9239,56
0
384,00
124,00
120,00
5912
апрель
9478,82
0
379,00
125,00
114,00
6118
май
9257,02
31,00
367,00
103,00
109,00
6087
июнь
9645,20
109,00
329,00
58,00
98,00
5828
июль
8920,69
132,00
341,00
40,00
90,00
3557
август
7923,96
132,00
325,00
41,00
95,55
5015
сентябрь
8221,48
118,00
330,00
52,00
98,00
4962
октябрь
8063,12
140,00
309,00
56,00
101,00
5503
ноябрь
7809,99
148,00
304,00
55,00
107,00
5544
декабрь
8064,99
149,00
293,00
60,00
109
5725


.......................