Анотація до роботи:

Грес Л.П. Удосконалення технології нагріву дуття у доменних повітронагрівниках з метою енергозбереження. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.16.02 – Металургія чорних металів. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ – 2002.

Дисертація присвячена теоретичному обгрунтуванню, розробці, дослідженню та впровадженню на повітронагрівниках доменних печей нових енергозберігаючих технологій нагріву дуття, забезпечуючих економію коксу, природного та доменного газів, а також зменшення шкідливих викидів у довкілля.

В роботі наведені результати розробок і досліджень нових способів опалення та конструкцій повітронагрівників, їх температурно-напруженого стану у періоди розігріву та експлуатації, а також пристроїв для зниження шкідливих викидів у довкілля.

Результати роботи впроваджені у виробництво та проекти Укрдіпромезу та Азовдіпромезу.

1. Здійснено системний аналіз і визначені напрямки енергозбереження при нагріві дуття у доменних повітронагрівниках: економія природного газу за рахунок утилізації теплоти димових газів та удосконалення режимів опалення повітронагрівників; зниження питомої витрати коксу шляхом збільшення температури гарячого дуття; економія енергоресурсів шляхом підвищення стійкості вогнетривкої кладки повітронагрівників.

2. Установлено суттєвий вплив зони дії крайових умов t_г = const для верху та низу насадки, втрат теплоти через кладку, коефіцієнта теплопередачі у насадці і кількості зон її розбивки на конструктивні та технологічні параметри повітронагрівників. На базі цього розроблені науково-методичні основи їх розрахунку для сучасних умов експлуатації. Використовуючи математичну модель теплообміну повітронагрівників, розроблена комп'ютерна діалогова система "Радник газівника доменної печі", яка дозволяє розраховувати, прогнозувати та вибирати параметри експлуатації повітронагрівників.

3. Розв'язано задачу вибору оптимальної питомої поверхні нагріву блоку повітронагрівників по критерію мінімуму приведених витрат, де ураховується виплата за шкідливі викиди у довкілля.

4. Теоретично обгрунтовані та розроблені новий спосіб та конструкція стабілізатора температури дуття (теплового акумулятора) у теплообмінній масі якого використовується плавка речовина (ядро). На основі одержаного аналітичного розв'язання задачі плавління речовини для умов теплового акумулятора визначено залежність динаміки плавління ядра від параметрів теплообміну і вибору теплофізичних властивостей плавкої речовини. Запропоновано метод розрахунку технологічних та конструктивних параметрів теплового акумулятора. Показано, що при цьому зростання температури дуття складає до 75С порівняно з існуючим способом стабілізації температури холодним дуттєм.

5. За допомогою "холодної" моделі повітронагрівника та промислових досліджень установлено кількісну характеристику рівномірністі потоку теплоносіїв по перетину насадки від умов їх уводу. На відміну від розробок ВНДІМТ і Укрдіпромезу, які пропонують збільшити цю рівномірність за рахунок використання різноманітних металевих екранів, нами запропонована нова конструкція піднасадочного пристрою та розроблено новий, змінний у часі, динамічний спосіб подачі холодного дуття у насадку. Цей спосіб випробувано на повітронагрівниках ДГМК "Криворіжсталь", що призвело до збільшення температури дуття на 20С і економії коксу 2,4 кг/т чавуну.

6. При використанні рециркуляції продуктів горіння економія палива досягає 7,5%, температура нагріву дуття збільшується на 15-20С, а шкідливі викиди зменшуються на 40-50%. Розроблено новий спосіб нагріву повітронагрівників, які опалюються природнодоменою сумішшю. При цьому економія природного газу досягає 34%, а зростання температури нагріву дуття – близько 30С. Цей спосіб впроваджено на доменній печі № 3 металургійного заводу ім. Петровського, а для доменної печі № 2 МК ім. Ілліча виконано робоче проектування.

7, Розроблені способи та пристрої для опалення високотемпературних повытронагрівників тільки доменним газом. Для оцінки найкращого варіанта використані критерій мінімуму цільової функції, яка включає вартість витрат доменного газу та повітря, інвестиції і виплату за шкідливі викиди. Крім цього розраховували вартість нагріву 1000 м³ дуття. Кращий з досліджених варіантів виявився, коли t_куп = 1300С, є нагрів компонентів горіння у теплообмінниках з проміжним теплоносієм, а при t_куп = 1450С – нагрів повітря в індивідуальних регенераторах або використання повітронагрівників зупинених доменних печей. При збільшенні температури дуття на 100С (з 1150 до 1250С) вартість нагріву дуття зростає на 15% при відповідній економії питомої витрати коксу.

8. Розроблено декілька нових способів двостадійного спалення палива у повітронагрівниках, що дозволяє знизити температури у нижній частині камери спалення з 1300-1450С до 1050-1150С, де навантаження на кладку максимальне, і, таким чином, збільшити термін її служби. Визначено взаємозв'язок між деформацією повзучості вогнетривів і температурою під куполом, а також навантаженням на них. При збільшенні температури під куполом на 50С (з 1350 до 1400С) деформація повзучості вогнетривів типу МКП-72 зростає практично у 4-и рази, а при зменшенні навантаження на 10% на ці вогнетриви – знижується тільки на 6%.

9. Термін служби повітронагрівників з внутрішньою камерою спалення нижче чим з винесеною. Розроблені новий спосіб модернізації та конструкція повітрорнагрівника з винесеним керамічним пальником, що дозволяє використовувати апарати з внутрішньою камерою горіння у період їх ремонту.

10. Промислово-експериментальні дослідження температурно-напруженого стану повітронагрівника у період сушіння, розігріву та початкового терміну експлуатації показало, що режим розігріву кладки не закінчується після регламентованого періоду, а необхідно додатково ще близько 16 діб для стабілізації температур і напруг. На стійкість кладки негативно впливає її вологість. У період сушіння та розігріву кладки необхідно вивести біля 150 т водяної пари, що приводить до порушення щільності швів між цеглою. Впроваджені розроблені режими та пристрої для розігріву кладки повітронагрівників і їх керамічних пальників, а також удосконалено їх окремі елементи (купол, штуцер гарячого дуття).

11. Термодинамічний аналіз умов формування і утворення азотомістких сполук у робочому просторі доменної печі, а також експериментальні дослідження для визначення їх концентрацій у горновому та доменному газі показали, що ці гази не містять оксидів азоту, але у них присутні азотомісткі сполуки (ціаніди, родоніди, аміак). На відміну від відомих досліджень формування ціанідів у доменній печі запропоновано механізм утворення ціанідів також у зоні помірних температур (800-1300С) із залишкових сполук коксу: аміака, метану і лужних металів. Залишкова кількість ціанідів та аміаку переходить у доменний газ, що підтверджується нашими експериментальними дослідженнями. Тому при його спалюванні у повітронагрівниках утворюються також "паливні" оксиди азоту (NO_x), доля яких у загальній масі досягає 10-68%. Концентрація NO_x залежить від складу газу і виду виробленого чавуну: при виробництві переробного чавуну – 81-104 мг/м³, ливарного – 135-153 мг/м³ і феромарганцю – 380-450 мг/м³.

12. Експериментальні дослідження параметрів роботи пристроїв для взяття доменної печі на "тягу" виявили причини їх незадовільної експлуатації. Розроблено нові конструкції цього пристрою, які впроваджені на МК ім. Дзержинського, "Запоріжсталь" та Єнакіївському металургійному заводі.

13. На основі наукових узагальнень, теоретичних розробок та промислових досліджень вирішено важливу науково-технічну проблему – розробка та розвиток теоретичних та технологічних основ енергозбереження при нагріві дуття у доменних повітронагрівниках, яка забезпечує економію питомої витрати коксу, природного та доменного газів, а також зменшення шкідливих викидів у довкілля.