M arcin SZEG A
EFEKTY ENERGETYCZNE WYKORZYSTANIA GAZU WIELKOPIECOWEGO ZAWRACANEGO DO PROCESU
S tr e s z c z e n ie .
W pra cy przedstaw iono w y n ik i ilościow ej a n a lizy zastosow ania w procesie w ielkopiecow ym zawracanego gazu w ie lko p ie cowego. Gaz w ie lkopiecow y zaw racany do procesu może być w yko rzy
s ta n y ja k o c z y n n ik k o n w e rtu ją c y w procesie w y tw a rz a n ia gorących gazów re d u kcyjn ych w d m u ch iw a n ych do szybu w ie lkie g o pieca lub w d m u c h iw a n y bezpośrednio po u s u n ię ciu C 0 2 i H 20 . Zastosowano teo- retyczno-em piryczny stre fo w y m odel m a te m a tyczn y w ielkiego pieca.
Zaw racanie gazu wielkopiecowego w p ły w a n a zm ianę w skaźników energetycznych procesu wielkopiecowego: jednostkow ego zużycia ko
ksu, dm uchu, p ro d u k c ji i e n e rg ii chem icznej gazu wielkopiecowego.
W yznaczone w s k a ź n ik i energetyczne są m ie rn ik a m i efektów energety
cznych zastosowania zawracanego gazu wielkopiecowego.
ENERGY EFFEC TS OF APPLICA TIO N OF THE RECIRCULATING TOP-GAS INTO THE BLAST-FURNACE PR O C ESS
Sum m ary.
The paper presents re s u lts th e q u a n tita tiv e analysis of th e re c irc u la tin g top gas a p p lic a tio n in to th e b last-furnace process.A fte r th e rem oval o f C 0 2 and H 20 th e re c irc u la tin g topgas can be in tro d u ce d in to th e lo w e r p a rt o f th e s h a ft o f th e b la st furnace. I t m ay also be used as a c o n ve rtin g fa cto r in th e p ro d u ctio n o f h o t reducing gases, w h ic h are th e n b low n in to lo w e r p a rt o f th e shaft. In order to s im u la te th e w o rk o f b la st-fu rn a ce a m a th e m a tic a l th e o re tic a l-e m p iri
cal zone model a t a b la st-fu rn a ce has been used. R e circu la tio n in flu e n ces th e fo llo w in g energy characteristics: specific consum ption o f coke, b la st, specific p ro d u ctio n o f top-gas and its chem ical energy. These are d ire c t energy effects o f top-gas re c irc u la tio n . D e te rm in e d energy char
acte ristics characterize energy effects o f th e top-gas re circu la tio n .
ENERGETISCHE EFFEKTE D E R AU SNUTZUNG DES IN DEN HOCHOFENPROZEß RUCK GEFÜRTEN GICHTGASES
Z u sam m en fa ssu n g .
Es w u rd e n den Ergebnisse der q u a n titia tiv e A nalyse des ruckgefuhrenes G ichtgas der A nw endu ng imHochoffenprozeß da rg e ste llt. Das ru c k fu h ru n g e Gichtgas konnte als das K onvertirung sagens im Hochoffenprozeß ausgenutz werden. Um die A rb e it eines Hochoffens zu s im u lie re n , w u rd e ein theoretisch-em p irisches m athem atisches Z onenm odell des Hochoffens dargestellt. Die R ü c k fü h ru n g des Gichtgases h a t ein E in flu ß a u f die energetische Ken- n z ife rn des Hochoffenprozeß. D ieser E in flu ß w u rd e v o rg e fü h rt die Ken
n z iffe rn können als B e w e rtu n g den energetischen E ffe kte betrachtet werden.
1. W STĘP
Przewaga technolo gii p ro d u k c ji s ta li w dw uetapow ym procesie „w ie lk i piec- k o n w e rto r” powoduje, że w świecie obserwuje się stałe dążenia zmierzające do ulepszania procesu wielkopiecowego. Proces w ielkopiecow y d zię ki w ykorzy
s ta n iu zasady przeciwprądowego p rz e p ły w u gazów względem m ateriałów wsadowych c h a ra kte ryzu je się stosunkowo n ie d u żym i s tra ta m i egzergii.
Sprawność egzergetyczna nowoczesnego procesu wielkopiecowego loco w ie lk i piec osiąga w artość około 80%. Obok udoskonaleń technologicznych w prow a
dza się ulepszenia o charakterze energetycznym . Przedsięwzięcia energetycz
ne w technolo gii w ielkopiecow ej są przede w s z y s tk im związane z dążeniem do oszczędności koksu. E n e rg ia chem iczna ko ksu stanow i przeważającą pozycję (około 70%) w ca łko w ite j e nergii doprowadzonej do procesu wielkopiecowego.
Zm niejszenie zużycia ko ksu przypadającego na jego fu n kcję energetyczną (n o śn ik e nergii w celu p o d trzym a n ia w ym aganej te m p e ra tu ry procesu) oraz re d u kcyjn ą (dostarcza p ie rw ia s tk a w ęgla do re a k c ji re d u k c ji ru d żelaza) moż
na uzyskać drogą podwyższenia p a ra m e tró w dm uchu wielkopiecowego (tem p e ra tu ry , ciśn ie n ia i wzbogacenia w tle n ) oraz d odatku czynników paliwowo- re d ukcyjnych. T a je d n a k ilość koksu, k tó ra je s t niezbędna ja k o s tru k tu ra podporowa i ja k o środek do na w ęgla nia su ró w k i, stanow i granicę w dążeniach do zm niejszenia zużycia ko ksu w w ie lk im piecu. To m in im a ln e zapotrzebowa
nie ko ksu je s t zależne od ja ko ści w sadu i koksu. Szacuje się je na około 250 + 300 k g /t sur. [7]. Nowoczesny proces w ielkopiecow y ch arakteryzuje się stoso
w aniem przygotowanego i bogatego wsadu, frakcjonow an iem koksu, w ysokim podgrzaniem dm uchu (do 1350°C ze w zględu na ograniczenia m ateriałow e), w ysokim ciśnieniem w g a rd z ie li w ie lkie g o pieca (0,3 + 0,35 MPa), wzbogaca
n ie m dm uchu w tle n w granicach opłacalności ekonomicznej oraz w d m u ch i
w aniem p a liw zastępczych (opłacalnych ekonom icznie np. p y łu węglowego) do s tre fy dysz.
P erspektyw icznym k ie ru n k ie m w rozw oju procesu wielkopiecowego może być przem ysłow e zastosowanie nowej technolo gii w ielkopiecowej polegającej na re c y rk u la c ji ubocznie w ytw arzanego w procesie gazu wielkopiecowego.
Zastosowanie re c y rk u la c ji powoduje, że głów nym odbiorcą gazu w ielkopie
cowego staje się w ie lk i piec oraz pro w a d zi do częściowej re a liza cji technologii
bezodpadowej, w k tó re j p ro d u k t uboczny je s t zu żyw any p ra w ie w całości w procesie, w k tó ry m powstaje.
2. W Y K O R Z Y S T A N IE G A ZU W IE L K O P IE C O W E G O ZAW RACANEG O DO PRO CESU
R ozpatruje się dwa sposoby w y k o rz y s ta n ia gazu wielkopiecowego zawraca
nego do procesu:
a) zastosowanie go ja k o czyn n ika konw ertującego w procesie o trzym yw a n ia gorących gazów re d u kcyjn ych na drodze k o n w e rs ji p a liw węglowodorowych w dm uchiw anych następnie do dolnej części szybu wielkiego pieca [3,5,10,1 7].
W procesie k o n w e rs ji ja k o c z y n n ik k o n w e rtu ją c y zam iast tle n u lu b pa ry wodnej m ożna stosować C 0 2 i H 20 zaw arte w gazie w ielkopiecow ym . Zale
tą te j m etody je s t rów nież m ożliwość zaw rócenia do w ielkiego pieca i pow tórnego w y k o rz y s ta n ia re d u k to ró w CO i H 2 za w a rtych w gazie w ie lk o piecowym . W re zu lta cie uzyskuje się oszczędność p a liw a wyjściowego (gazu ziemnego łu b koksowniczego) używanego do ko n w e rsji;
b) oczyszczenie z C 0 2 i H 20 i zastosowanie go po podgrzan iu do w dm uchiw a
n ia do s tre fy dysz lu b do dolnej części szybu w ie lkie g o pieca (podobnie ja k gorące gazy redukcyjne); w y k o rz y s tu je się w ty m p rzyp a d ku s k ła d n ik i re d u kcyjn e tego gazu [2, 4, 6, 8, 9, 10, 11, 15, 16].
W badaniach św iatow ych nad zastosowaniem re c y rk u la c ji gazu w ie lko p ie cowego ze w zględu n a duże ko szty in s ta la c ji dośw iadczalnych zdecydowanie przew ażają b adan ia sym ulacyjne prowadzone za pomocą zw eryfikow anych m odeli m atem atycznych.
W y n ik i sym ulacyjnych badań num erycznych w p ły w u w d m u c h iw a n ia oczy
szczonego i podgrzanego gazu w ielkopiecowego oraz w d m u c h iw a n ia gorących gazów re d u kcyjn ych o trzym a n ych z zastosowaniem ja k o czyn n ika konw er
tującego recyrkulująceg o gazu do procesu wielkopiecowego przedstaw iono w [2, 9, 16], Przeprowadzono analizę energetyczną i ekonom iczną procesu uw z
ględniając m etody oczyszczania recyrkulująceg o bezpośrednio do procesu ga
zu wielkopiecowego za pomocą etano lo a m in i s it m o le ku la rn ych . W w y n ik u przeprow adzonych obliczeń sym ulacyjnych oszacowano oszczędność koksu w granicach 20 + 30% i w zro st w ydajności w ie lkie g o pieca o około 11%. Przepro
wadzona a n a liza ekonom iczna w yka za ła , że koszt je d n o stko w y s u ró w k i w zra sta o 5 H-13%. O opłacalności ekonom icznej praktycznego zastosowania re cyr
k u la c ji gazu wielkopiecowego będzie decydowała zdaniem autora cena koksu oraz koszt in s ta la c ji oczyszczania recyrkulująceg o gazu wielkopiecowego.
Technologie w y tw a rz a n ia gorących gazów re d u kcyjn ych za pomocą re fo r
m ow ania gazu koksowniczego lu b ziemnego za pomocą C 0 2 i H 20 zaw artych w re c y rk u lu ją c y m gazie w ielkopiecow ym opisano w [3, 5], Zawartość azotu w
gazie re d u kcyjn ym została zm niejszona poprzez pobieranie gazu w ielkopie
cowego z obrzeża w ie lkie g o pieca.
3. W P ŁY W Z A W R A C A N IA G A ZU W IE L K O P IE C O W E G O N A PROCES W IE L K O P IE C O W Y
W d m uchiw anie gorących gazów re d u kcyjn ych otrzym anych z zastosowa
niem ja k o czyn n ika konw ertującego gazu wielkopiecowego lu b recyrkulujące- go oczyszczonego gazu wielkopiecowego w p ły w a na b ila n s energetyczny proce
su wielkopiecowego. N a s k u te k w d m u c h iw a n ia ulegają zm ianie:
- w ielkość zużycia koksu, - w ielkość zużycia dm uchu,
- ilość i energia chem iczna ubocznie w ytw arzanego gazu wielkopiecowego.
W ielkości te odniesione do jednostkow ej ilo ści s u ró w k i produkow anej w procesie nazwano je d n o stko w ym i w s k a ź n ik a m i energetycznym i procesu w ie l
kopiecowego [12].
4. ZASTO SO W AN IE M E T O D Y B IL A N S Ó W S TR E FO W Y C H W IE L K IE G O P IE C A DO PRO G NO ZY W S K A Ź N IK Ó W E N E R G E T Y C Z N Y C H PRO
CESU W IE L K O P IE C O W E G O
R ealizow anie przedsięwzięć m ających na celu poprawę w skaźników ener
getycznych i ekonom icznych procesu wielkopiecowego pow inno być poprzedzo
ne teoretyczną analizą ilościow ą prze w id yw a n ych efektów. Do tego celu może służyć teoretyczno-em piryczna strefow a m etoda bilansow a przew idyw ania w ska źn ikó w energetycznych procesu wielkopiecowego [13]. M etoda ta została opracowana w celu prognozy w ska źn ikó w energetycznych procesu w ielkopie
cowego w w a ru n k a c h re c y rk u la c ji gazu wielkopiecowego lu b w dm uchiw ania gorących gazów re d u kcyjn ych otrzym a n ych z zastosowaniem ja k o czynnika konw ertującego recyrkulującego gazu wielkopiecowego.
S trefow a m etoda bilansow a prognozow ania w ska źn ikó w energetycznych zespołu wielkopiecowego je s t m etodą teoretyczno-doświadczalną. Część teore
tyczna bazuje na zasadach zachowania ilości substancji i energii [12] oraz na podstaw ach nowoczesnej te o rii procesu wielkopiecowego, k tó ra w yróżnia w w ie lk im piecu dwa obszary te m p e ra tu ro w e oddzielone strefą rezerw y cieplnej.
B ilanse p ie rw ia s tk ó w C+S, H, 5 , N oraz b ila n s e n e rg ii sporządza się oddziel
nie dla górnej s tre fy p rze p ływ u ciepła (s tre fy przygotowawczej) oraz dla dolnej s tre fy (s tre fy w ytw arzającej) w raz ze stre fą re ze rw y cieplnej [14], W a ru n k i zbliżone do sta n u rów now agi term odynam iczne j, k tó re p a nują w strefie rezer
w y cieplnej, pozw alają na sform ułow anie ró w n a ń rów now agi chemicznej dla w yznaczenia składu fazy gazowej w tej strefie. Do części doświadczalnej
metody należy jednorazo w y p o m ia r cie p ln y badanego w ielkiego pieca, na podstawie którego w yznacza się stale procesu w ró w n a n ia ch bilansow ych poszczególnych s tre f te m p e ra tu ro w ych . W te n sposób dochodzi się do rów nań in d y w id u a ln y c h uw zględn iających specyfikę badanego procesu w ie lko p ie cowego pozw alających przew idyw ać w s k a ź n ik i d la konkretneg o procesu w ie l
kopiecowego. Z a kła d a się, że w p rzy p a d k u badanego w ie lkie g o pieca są zacho
wane stałe w a ru n k i wsadowe i s ta ły skła d p ro d u k tó w nieenergetycznych.
Zakłada się także, że w ró w n a n ia ch bilansow ych następujące w ielkości odnie
sione do jednostkow ej ilo ści s u ró w k i n ie zależą od ilości wdm uchiw anego recyrkulującego gazu wielkopiecowego lu b gazu redukcyjnego [12, 13]:
- ilość w ęgla za w a rta w d w u tle n k u w ęgla pochodzącym z ro zkła d u w ęgla
nów - stała procesu Op,
- w ilgoć w sadu (bez w ilg o ci koksu) - s ta ła procesu (3p,
- różnica m iędzy ilością tle n u w nieenergetycznych p ro d u kta ch (bez p y łu wielkopiecowego) i su b stra ta ch górnej s tre fy p rz e p ły w u ciepła - stała p ro cesu yp; podobnie d la dolnej s tre fy p rz e p ły w u ciepła - sta ła procesu yw, - różnica m iędzy sum ą e n ta lp ii p ro d u k tó w nieenergetycznych (z w y ją tk ie m
p y łu wielkopiecowego) a sum ą e n ta lp ii s u b stra tó w nieenergetycznych gór
nej s tre fy p rze p ływ u ciepła - sta ła procesu 8p; podobnie dla dolnej stre fy prze p ływ u ciepła - sta ła procesu 5W,
- c a łk o w ity s tru m ie ń s tra t ciepła do otoczenia i w ody chłodzącej je s t stały.
U k ła d ró w n a ń bilansow ych d la dolnej s tre fy p rze p ływ u ciepła ro zp a tryw a nej razem ze stre fą re ze rw y cieplnej m a postać:
P o łą c zo n y b ila n s w ę g la i siarki:
i ~ł\sr \ 12 32
c Ksr , SRsr
+ Gr(COr + C 0 2r) - — + G sr(COsr + C 0 2sr).
( 1 )
V /
B ila n s w odoru:
Ksr ^ + G XzD + Gr(H 2r + X zr) - Gsr(H 2sr + Xzsr).
(
2)
R ó żn ica b ila n só w tle n u i w od oru :
D 0 2D - + Gr [0,5(Cor - H 2r) + C 0 2r] =
= Yw + Gsr[0,5(COsr - H 2sr) + C 0 2sr]
(3)
B ila n s azotu:
D(1 — C>
2
d) + Gr( l — COr — H 2r — Co2r) —(4)
= Gsr( l - CO sr - H 2sr - C 0 2sr).
B ila n s en erg ii:
K s ri^ K s r + b is r ) + D (io + X zDi XD) + Gr(W dr + i r + Xzri Zr) -
(5)
— 5W "ł" ^qQow • ~t Gsr(W dsr + i sr + Xzsr ^Xsr)*
D la górnej s tre fy przepływ u ciepła u k ła d ró w n a ń bilansow ych m a podobną postać [13]. Relacja m iędzy Kgr i K m a następującą postać:
S kład gazu w stre fie rezerw y cieplnej wyznacza się z zależności opisujących sprawności w y k o rz y s ta n ia CO i H 2. Sprawność w y k o rz y s ta n ia tle n k u w ęgla i w odoru w stre fie re ze rw y cieplnej dla ustalonej te m p e ra tu ry panującej w tej stre fie je s t stała. W p ra ktyce w ielkopiecow ej re d u kcja w u s ty tu w strefie rezerw y cieplnej nie osiąga je d n a k poziom u idealnego w ynikającego z w a ru n k u rów now agi chemicznej w tej strefie. Spraw ności w yko rzysta n ia tle n k u w ęgla i w odoru w te j stre fie w p ra ktyce p rz y jm u ją w artości leżące pomiędzy 80 a 95% w artości m aksym alnej w yn ika ją ce j ze stanu rów now agi chemicz
nej [1]. Zatem teoretyczne w artości sprawności w yko rzysta n ia składników re d u kcyjn ych gazów należy skorygować p rz y w y k o rz y s ta n iu w spółczynnika empirycznego:
gdzie:
% - w sp ó łczyn n ik uwzględniający odchylenie od teoretycznych wartości sprawności w y k o rz y s ta n ia składników redukcyjnych gazów w stre
fie rezerw y cieplnej.
Kgr — K - P ( I - O k- I Ik).
(
6)
COsr + C 0 2sr ^ 1 + K pC0 ’ C 0 2 s r _ KpCO
(7)
h■2'“'s r2o. KpH2
H 2sr + H 2Osr ^ (8)
Z w a ru n k u w ystępow an ia w stre fie re ze rw y cieplnej stanu zbliżonego do stanu rów now agi chemicznej w y n ik a , że zależność pom iędzy s k ła d n ik a m i gazu w te j s tre fie może być opisana ró w n a n ie m o następującej postaci:
H 2Osr Kph2(1 + Kpco) C 0 2sr H 2sr + H 2c>sr K p c o fl + K pH2) Cosr + Co2sr
W g a rd z ie li w ie lkie g o pieca skład gazu odbiega od skła d u równowagowego, lecz n a d a l is tn ie je zw iązek pom iędzy fu n k c ja m i C 0 2/(C 0 + C 0 2) a H20 /(H 2+ H 20 ) [13], S topień odchylenia skła d u gazu wielkopiecowego w gar
dzieli w ie lkie g o pieca od sta n u zbliżonego do sta n u równowagowego w strefie rezerwy cieplnej uw zględniono w prow adzając do ró w n a n ia w yraz w o ln y w y znaczany na podstaw ie jednorazowego p o m ia ru cieplnego w ielkiego pieca.
Przyjęto następującą postać rozważanego ró w n a n ia n a ilość H 2 w gazie w ie l
kopiecowym:
G H ,
--- " , Co + <UI)
— + D XzD + G r(H 2r + X zr) 1 + £q2 K - P —Cp
CK
gdzie:
Csr - s ta ły w sp ó łczyn n ik w y n ik a ją c y z w a rto ści sta łych rów now agi che
m icznej re a k c ji zachodzących w s tre fie re ze rw y cieplnej.
- p a ra m e tr w yznaczany n a podstaw ie jednorazowego p o m ia ru ciepl
nego w ie lkie g o pieca.
W spółczynnik Csr wyznacza się z ró w n a n ia : Kph2(1 + Kpco)
° sr K pC0( l + Kph2)
U k ła d ró w n a ń bilansow ych substancji i e n e rg ii adiabatycznej kom ory spa
la n ia d la s tre fy dysz w ie lkie g o pieca stanow i u z u p e łn ie n ie bilansów substancji i e nergii dolnej s tre fy p rz e p ły w u ciepła (s tre fy w ytw a rza ją ce j) z u w agi na wzajem ne p o w iązan ia pom iędzy ty m i b ila n s a m i (p a ra m e try dm uchu T D, 0 2 D i w s k a ź n ik je d n o stko w y D ) [13].
W ydm uch p y łu wielkopiecowego w g a rd z ie li w ie lkie g o pieca opisano za pomocą zależności em pirycznej [18]:
P = (58,24 + 2,65P0)u G + P0 (12)
gdzie:
u G - prędkość w y p ły w u gazu wielkopiecowego w g a rd zie li w ielkiego pieca.
P a ra m e tr fu n k c ji P0 w yznaczany je s t na podstaw ie danych jednorazowego p o m ia ru cieplnego w ie lkie g o pieca.
S kład w dm uchiw anego gorącego gazu redukcyjnego wyznaczany je s t na podstaw ie m odelu m atem atycznego ko m o ry k o n w e rs ji z zastosowaniem jako czyn n ika konw ertującego gazu wielkopiecowego. S kład gazu wielkopiecowego bezpośrednio recyrkulującego do procesu w y n ik a z danych in s ta la c ji oczysz
czania gazu za pomocą etanolo am in [2].
5. A N A L IZ A W Y N IK Ó W O B L IC Z E Ń
N a rysu n ka ch 1 +■ 4 przedstaw iono w y n ik i p rzykła d o w ych obliczeń sym ula
cyjnych w ska źn ikó w energetycznych procesu wielkopiecowego w przypadku:
a. W d m u ch iw a n ia do dolnej części szybu w ie lkie g o pieca gorącego gazu redu
kcyjnego otrzym anego z zastosowaniem ja k o czyn n ika konwertującego ga-
500 480 . 460
3
wJ 440 420 400
0 1 2 3 4
Er , GJ/tsur.
Rys. 1. Wskaźnik jednostkowego zużycia koksu Fig. 1. Specific consumption of coke
zu wielkopiecowego pobieranego z górnej części szybu. Jako c z y n n i k w y j
ściowy do procesu k o n w e rs ji p rzyję to gaz koksow niczy.
b. W d m u ch iw a n ia do s tre fy dysz oczyszczonego i podgrzanego recyrkulujące- go gazu wielkopiecowego.
A n alizow an e p rz y p a d k i c h a ra k te ry z u ją się n a jw ię k s z y m i bezpośrednim i e fektam i energetycznym i w postaci oszczędności koksu. W p rzyp a d ku w d m u chiw a n ia do dolnej części szybu w ie lkie g o pieca gorącego gazu redukcyjnego otrzym anego z zastosowaniem ja k o czyn n ika konw ertującego gazu w ie lko p ie cowego pobieranego z górnej części szybu p rzyjęto, że pobieran y gaz m a skład na w yjściu ze s tre fy re ze rw y cieplnej. W p rz y p a d k u re c y rk u la c ji gazu w ie lk o piecowego do s tre fy dysz u w zg lę d n ia się jednoczesne n a kła d a n ie się efektów w d m u c h iw a n ia recyrkulująceg o gazu i przyjętego ja k o zm ienne wzbogacenia dm uchu w tle n w celu zachow ania na n ie zm ie n n ym poziom ie adiabatycznej te m p e ra tu ry spalania w stre fie dysz.
Er, GJ/tsur.
Rys. 2. Wskaźnik jednostkowego zużycia dmuchu Fig. 2. Specific consumption of blast
N a rys. 1 przedstaw iono w p ły w analizow a nych p rzypadków re cyrku la cji gazu wielkopiecowego na w s k a ź n ik jednostkowego zużycia koksu. W obydwu przypadkach w ystępuje w yraźne zm niejszanie się jednostkowego zużycia ko
k su w m ia rę zw iększania się jednostkow ej e n e rg ii chemicznej i fizycznej w dm uchiw anego gazu. D la obu p rzypadków w d m u ch iw a n ia w ystępuje in n y zakres zm ian w ym ienionego w skaźnika.
W p rzyp a d ku w d m u c h iw a n ia gazu redukcyjnego do dolnej części szybu zm niejszenie zużycia ko ksu w y n ik a z zastępow ania części gazów redukcyj
nych pow stających z koksu przez s k ła d n ik i redukcyjne zaw arte we w dm uchi
w anym gazie.
W p rzyp a d ku re c y rk u la c ji gazu do s tre fy dysz zm niejszenie zużycia koksu w y n ik a rów nież z zastępowania części ko ksu zw iązanej z zapotrzebowaniem cieplnym procesu przez podgrzany re c y rk u lu ją c y gaz.
0 1 2 3 4
E r, GJ/tsur.
Rys. 3. Jednostkowa produkcja gazu wielkopiecowego Fig. 3. Specific production of top-gas
Z akres zm ia n jednostkow ego w s k a ź n ik a d m uchu przedstawionego na rys. 2 dla obu przyp a d kó w w d m u c h iw a n ia je s t w y n ik ie m w p ły w u zm ian zużycia koksu, sposobu w d m u c h iw a n ia gazu i wzbogacenia dm uchu w tlen.
Przebieg jednostkow ego w s k a ź n ik a je dnostko w ej p ro d u k c ji gazu w ie lko p ie cowego przedstaw iono na rys. 3. W obu przypadkach w ystępuje zm niejszanie się tego w ska źn ika n a s k u te k oszczędności ko ksu i zm niejszania się zużycia dm uchu. D la p rzy p a d k u w d m u c h iw a n ia gazu redukcyjnego je s t on rów nież w y n ik ie m pobieran ia gazu z szybu do k o m o ry ko n w e rsji.
Przebieg jednostkow ego w s k a ź n ik a e n e rg ii chem icznej gazu wielkopiecow e
go przedstaw ionego na rys. 4 je s t w y n ik ie m zm ia n ilo ści produkowanego gazu oraz jego w a rto ści opałowej. W p rz y p a d k u w d m u c h iw a n ia recyrkulującego gazu do s tre fy dysz następuje w zro st tego w ska źn ika . W zrost te n je s t w y n i
k ie m w p ły w u zwiększającej się w a rto ści opałowej gazu. W p rzyp a d ku w d m u ch iw a n ia gazu redukcyjnego do dolnej części szybu następuje n ie w ie lkie
0 1 2 3 4
Ef , GJ/tsur.
Rys. 4. Jednostkowa ilość energii chemicznej produkowanego gazu wielkopiecowego Fig. 4. Specific Chemical energy of top-gas
zm niejszanie się w a rto ści tego w ska źn ika . Jest to w y n ik ie m większego spad
k u w artości w s ka źn ika p ro d u k c ji gazu wielkopiecowego.
6. P O D S U M O W A N IE
Stosowane tra d ycyjn e m etody obniżania zużycia koksu w procesie w ie lko piecowym n ie z w a ln ia ją od konieczności zbadania in n y c h rozwiązań. Zaw ra
canie do procesu gazu wielkopiecowego sta n o w i perspektyw iczny k ie ru n e k w dążeniach do unowocześniania i p o p ra w y doskonałości term odynam icznej procesu wielkopiecowego. S tanow i ono k ro k w k ie ru n k u technologii bezodpa- dowych, w k tó ry c h p ro d u k t uboczny skojarzonego procesu energotechnologicz- nego je s t zużyw any w procesie, w k tó ry m pow staje zgodnie z proekologiczny
m i tendencjam i, aby realizow ać procesy energotechnologiczne w sposób ja k n a jm n ie j zagrażający środow isku n a tu ra ln e m u człowieka.
W pracy przedstaw iono w y n ik i num erycznych badań sym ulacyjnych bezpo
średnich efektów energetycznych rozw ażanych p rzypadków zastosowania ga
zu wielkopiecowego zawracanego do procesu. Zastosowano zw eryfikow any model m atem atyczny procesu wielkopiecowego o p a rty na bilansie strefo
w ym [20].
U zyskane w y n ik i bezpośrednich efektów energetycznych mogą być w yko
rzystane w analizie ekonomicznej. D odatkow o w a n a lizie ekonomicznej pow i
n ie n być uw zględn iony efekt zw iększenia w ydajności procesu.
Praca pow stała w w y n ik u re a liza cji g ra n tu 9 S603 014 07 finansowanego przez K o m ite t B adań N aukow ych.
SPIS O ZN A C ZE Ń
c — u d z ia ł gram ow y węgla,
Cn - sum a p ie rw ia s tk ó w w ęgla i s ia rk i w produktach nieenergetycznych procesu, k g /t sur.,
CO - u d z ia ł m olow y CO w suchym gazie w ielkopiecow ym , km ol/km ol, C 0 2 - u d z ia ł m olow y C 0 2 + S 0 2 w suchym gazie w ielkopiecow ym ,
km o l/km o l,
COr - u d z ia ł m olow y CO w oczyszczonym re c y rk u lu ją c y m gazie w ie lk o piecowym lu b gorącym gazie re d u kcyjn ym , km ol/km ol,
C 0 2 r - u d z ia ł m olow y C 0 2 w oczyszczonym re cyrku lu ją cym gazie w ie lko piecowym lu b gorącym gazie re d u kcyjn ym , km o l/km o l,
COsr - u d z ia ł m olow y CO w gazie w stre fie rezerw y cieplnej, km ol/km ol, C 0 2 sr - u d z ia ł m olow y C 0 2 w gazie w stre fie re ze rw y cieplnej, km ol/km ol,
d - e n ta lp ia dew aluacji, k J /k g lu b k J /k m o l,
D - jednostkow y w skaźnik zużycia suchego, wzbogaconego tlenem dm u
chu, k m o l/t sur.,
D E G Gr
^sr h H 2 H 2r H 2sr i K Ksr
K P n
o C>2D P
Qow
UG
W
W d X ,
In d e k sy
COc o 2
D E G H 2
h2o
s tru m ie ń dm uchu suchego, doprow adzany do w ie lkie g o pieca, km ol/s,
je d n o stko w y w s k a ź n ik e n e rg ii chem icznej ubocznie w ytw arzanego gazu wielkopiecowego, k J /t sur.,
je d n o stko w y w s k a ź n ik p ro d u k c ji suchego gazu wielkopiecow ego, k m o l/t sur.,
je d n o stko w a ilość recyrkulującego oczyszczonego suchego gazu w ie l
kopiecowego lu b gorącego gazu redukcyjnego, k m o l/t sur., je d n o stko w a ilość gazu w stre fie re ze rw y cieplnej, k m o l/t sur.,
u d z ia ł g ram ow y w odoru,
u d z ia ł m olow y w odoru w suchym gazie w ielkopiecow ym , km o l/km o l,
u d z ia ł m olow y w odoru w oczyszczonym re c y rk u lu ją c y m gazie w ie l
kopiecow ym lu b gorącym gazie re d u kcyjn ym , km o l/km o l, u d z ia ł m olow y w odoru w gazie w stre fie re ze rw y cieplnej, km o l/km o l,
e n ta lp ia fizyczna w łaściw a, k J /k g lu b k J /k m o l, je d n o stko w y w s k a ź n ik zużycia koksu, k g /t sur.,
jedn o stko w a ilość koksu w s tre fie re ze rw y cieplnej, k g /t sur., s ta ła rów now agi chemicznej,
u d z ia ł gram ow y azotu, u d z ia ł g ram ow y tle n u ,
u d z ia ł m olow y tle n u w suchym dm uchu w ielkopiecow ym , km o l/km o l,
je d n o stko w a ilość w ydm uchiw anego p y łu wielkopiecowego, k g /t sur.,
c a łk o w ity s tru m ie ń s tra t ciepła wielkiego pieca do otoczenia i wody chłodzącej, kW ,
u d z ia ł gram ow y s ia rk i,
prędkość p rz e p ły w u gazu w g a rd z ie li w ie lkie g o pieca, m/s, u d z ia ł gram ow y w ilgoci,
w artość opałowa, k J /k g lu b k J /k m o l,
m olow y stopień zaw ilżenia, k m o l H 20 /k m o l g.s.,
m n o ż n ik p o d z ia łu s tr a t c ie p ła do otoczenia i w o d y chłodzącej dla s tre f te m p e ra tu ro w ych w ie lkie g o pieca.
dotyczy tle n k u węgla, dotyczy d w u tle n k u węgla,
dotyczy dm uchu wielkopiecowego,
dotyczy e n e rg ii chemicznej w ytw arzanego gazu wielkopiecowego, dotyczy suchego gazu wielkopiecowego lu b g a rd z ie li w ielkiego pieca, dotyczy wodoru,
dotyczy p a ry wodnej,
K - dotyczy koksu,
P - dotyczy p y łu wielkopiecowego,
r - dotyczy oczyszczonego recyrkulująceg o gazu w ielkopiecow ego lub gorącego gazu redukcyjnego,
s r - dotyczy górnego p rz e k ro ju s tre fy re ze rw y cieplnej, X D - dotyczy molowego stopnia z a w ilże n ia dm uchu,
X G - dotyczy molowego sto p n ia z a w ilże n ia gazu wielkopiecowego,
L IT E R A T U R A
[1] C oheur P., Decker A.: D iv e rs ific a tio n o f energy sources fo r the blast furnace: the double in je c tio n process. Iro n m a k in g and S te llm a kin g 2, 1974.
[2] G iu li M ., D rigo G.: Recircolo del gas d i bocca d e ll’altoforno. A n a lis i del processo e va lu ta zio n e tecnico-economica. B o lle ttin o Tecnico F in sid e r n r 390, 1981.
[3] G a rin a I . M ., Jerem iejew a K .A .: P oluczienije i ispolzow anije w domien- nom p roizw odstw ije goriaczich w o ssta n o vitie ln ych gazow. Domiennoje proizw odstw o 4, 1973.
[4] M in sh e n g Q., N a ifu Y.: A bla st-fu rn a ce process w ith pulverized coal, oxygen and gas c irc u la tio n fo r reduction. Scand. J. o f M e ta llu rg y 15, 1986.
[5] M iy a s h ita T., Sano K.: B la s t furnace stack in je c tio n by top gas recycled system (N K G process). Iro n m a k in g Proc., 33 (1974), 39.
[6] Ohno Y., H o tta H ., M a ts u u ra M ., M its u fu ji M ., Saito H.: Developm ent of th e oxygen b la s t furnace. S te ll Research C enter N ippon K okan K.K.
Process Technology Conference Proceedings, A IM E , 1988.
[7] O pperm ann K.: Z u r S u b s titu tio n von H ochofenkoks durch Zusatzbren
nstoffe Neue H ü tte n r 6, 1983.
[8] Papst G.: D evelopm ent in s m e ltin g reductions processes. Steel Research 60, 1989 n r 3 i 4.
[9] R am m A .N ., K a rp ilo w s k i J.B .: A n a liticzie sko je issliedow anije e ffie ktiw - n o s ti dom iennoj p la w k i p r i w d u w a n ii w gorn kolosznikowogo gaza, oczi- szcziennogo ot C 0 2 i tiechnologiczieskogo k islo ro d a biez atmosfiernogo d u tia . S ta l n r 4, 1971.
[10] R am m A .N ., K a rp ilo w s k i J.B .: O dom iennoj p la w k ie s w duw anijem w o sstanow itie lnych gazow polucziennych ra z lic z n y m i sposobami. Stal n r 7, 1975.
[11] Steffen R.: D ire c t re d u ctio n and s m e ltin g reduction-a n overview. Steel Research 60, 1989, N r 3 i 4.
[12] S za rg u t J., Z ię b ik A.: W p ły w p a ra m e tró w d m uchu i czynników paliw o- w o -re d u kcyjn ych na w s k a ź n ik i energetyczne zespołu wielkopiecowego.
O ssolineum , W rocław 1983.
[13] Szega M .: A n a liz a term o d yn a m iczn a m ożliw ości w yk o rz y s ta n ia s k ła d n i
ków re d u kcyjn ych gazu w ielkopiecowego zawracanego do procesu. Praca doktorska. In s ty tu t T e c h n ik i C ieplnej, P o lite c h n ik a Śląska, G liw ice 1993.
[14] Szega M ., Z ię b ik A.: E fe k ty energetyczne re c y rk u la c ji gazu w ie lko p ie cowego. H u tn ik -W iadom ości H u tn icze , n r 10-11, 1994, s. 302 h- 313.
[15] T ic h o m iro w E. N.: M ie to d ik a rasczieta i p o ka za tie li domiennoj p ła w k i s w duw anie m goriaczich w o ssta n o w itie ln ych gazów i kislo ro d a biez atm osflericznogo d u tia . S ta l n r 7, 1987.
[16] W a rtm a n n R., B ekem eier W .: Ü b e rp rü fu n g ne u e r V erfahrensw eisen zur H e rs te llu n g von flüssigem Roheisen. Forschungsb ericht T 84-220, B u n d e s m in is te riu m fü r Forschung u n d Technologie, (B M F T ). Bonn, Oct.
1984.
[17] W oskobojnikow W .T.: D o m iennaja p la w k a s p rim ie n ie n ije m goriaczich w o ssta n o w itie ln ych gazow i tiechnologiczieskogo kisloroda. S ta l n r 4, 1970.
[18] Z ię b ik A., K ru cze k T.: A n a lysis o f th e In flu e n ce o f th e Top-Gas Pressure on th e Increase E nergy C h a ra cte ristics o f a B la st-F u rn a ce Assembly.
B u ll. Pol. Acad. Sei., Techn. Sciences, Vol. 39, No 2, 1991.
[19] Z ię b ik A., Szega M.: A System A n a lysis o f th e E nergy Effects o f Top-Gas R e circu la tio n in th e B la st-F u rn a ce Process. M a te ria ły konferencyjne M iędzynarodow ej K on fe re n cji E N S E C ’93 E n e rg y Systems and Ecology, K ra k ó w 1993.
[20] Z ię b ik A., Szega M .: W e ry fik a c ja strefow ej m etody bilansow ej prognozo
w a n ia w s ka źn ikó w energetycznych procesu wielkopiecowego. M a te ria ły konferencyjne X V Zjazdu T e rm o d yn a m ikó w , K o ko te k kolo Lublińca , 1993.
Recenzent: Prof. d r hab. A ndrzej Ziębik W p łynęło do Redakcji: 10. 02. 1995 r.
A b stract
T w o -sta g e technology (b la s t-fu rn a c e — oxygen converter) in th e actual w o rld p ro d u ctio n o f steel represents about 70%. Trends tow ards im p ro v in g th e b la s t-fu rn a c e process have been observed w o rld -w id e . T h is concerns both
th e technological, as w e ll as th e energy im p ro ve m e n t. B o th lead also towards an ecological im provem ent. The m a jo r p a rt o f energy designs is th e re s u lt of a tte m p ts to decrease th e coke consum ption in a b la s t-fu rn a c e .
F u rth e r p o ssib ilitie s o f im p ro v in g th e b la s t-fu rn a c e process concern the a p p lica tio n o f in je c tin g h o t reducing gases in to th e lo w e r p a rt o f the s h a ft and th e re c irc u la tio n o f to p -g a s a fte r th e rem oval o f C 0 2 and H 20 . Recirculated to p -g a s can be injected in to th e tu ye re zone. R ecirculated to p -g a s m ay also be used as th e conversion fa c to r in th e process o f prod u cin g h o t reducing gas by means o f th e conversion o f hydrocarbon fuels. T h is paper presents the case of u tiliz in g th e re circu la te d top-gas.
R e circu la tio n o f p a rt o f th e to p -g a s in to th e low er p a rt o f the sh a ft or into th e tu ye re zone influences th e consum ption o f coke, blast, th e am ount of to p -g a s and th e chem ical energy. C alculated in re la tio n to a p ig -iro n u n it, these q u a n titie s have been called energy characteristics.
The zone-balance m ethod o f p re d ic tin g th e energy characteristics o f a b la s t-fu rn a c e p la n t is both th e o re tic a l and e m p iric a l in its character. The th e o re tic a l p a rt bases on p rin cip le s o f th e conservation o f substance and energy, as w e ll as on th e m odern th e o ry o f th e b la s t-fu rn a c e process, w hich distin g u ish e s tw o segments separated fro m each o th e r by the th e rm a l reserve zon. The balances o f the elem ents C, S, H , O and N and energy blance equations have been set up separately fo t th e top zone o f he a t tra n s fe r and for th e low er zone togethe r w ith th e th e rm a l reserve zone. The conditions in the th e rm a l reserve zone approach th e rm o d yn a m ic e q u ilib riu m w h ich makes it possible to a p p ly chem ical e q u ilib riu m equations in order to determ ine the com position o f th e gas phase in th is zone.
The e m p iric a l p a rt o f thes m ethod includes one single th e rm a l m easure
m e n t o f th e in ve stig a te d b la s t-fu rn a c e . The re s u lts o f th is m easurem ent are used to determ ine th e process constant in th e balance equations and the u n k n o w n param eters in the e m p iric a l equations.
The re su lts o f s im u la tio n have been presented in Figs. 1 - 4 . R ecirculation o f to p -g a s in th e b la s t-fu rn a c e process is considered to be one o f th e perspec
tiv e m ethods o f im proveng th e b la s t-fu rn a c e process. A t present only sim ula
tiv e n u m e ric a l in ve stig a tio n s o f th is technology are being carried out.
