Повышение содержания кислорода в доменных печах

Преимущество кислорода в современном сталеплавильном производстве

Процесс получения чугуна в доменных печах принципиально не менялся на протяжении столетий. В верхнюю часть печи загружаются кокс, железная руда и флюс; из нижней части выходят расплавленный чугун и шлак; через фурмы подаётся нагретый воздух. Однако детали процесса значительно эволюционировали, и обогащение воздуха кислородом является одним из самых значимых усовершенствований за последние пятьдесят лет.

Подача кислорода в дутьё доменной печи — повышение содержания кислорода в воздухе для сжигания с 21 % до 25 % и выше — изменяет термическое и химическое поведение печи. Непосредственным эффектом является повышение температуры пламени, что ускоряет реакции восстановления, превращающие оксиды железа в металлическое железо. Вторичные эффекты включают рост производительности, снижение расхода кокса и уменьшение выбросов CO₂ на тонну выплавленного железа.

Как кислород изменяет термодинамику печи

Расчёты просты, но последствия глубоки. Воздух содержит примерно 79 % азота, который проходит через печь, не участвуя в реакциях. Этот азот поглощает тепло — тепло, которое могло бы быть использовано для восстановления железной руды. Когда кислород заменяет азот в дутье, меньше тепла тратится на нагрев инертного газа. Температура пламени повышается, и печь способна перерабатывать больше руды при том же расходе кокса.

При каждом повышении содержания кислорода на 1 % температура пламени возрастает примерно на 50 °C. При содержании кислорода 25 % температура пламени приближается к 2200 °C по сравнению с примерно 2000 °C при содержании 21 %. Более высокая температура пламени обеспечивает несколько эксплуатационных преимуществ: повышенные скорости подачи мелкодисперсного угля, снижение расхода кокса и увеличение производственной пропускной способности.

Компромисс заключается в том, что обогащение кислородом также повышает чувствительность доменной печи к возмущениям. Печь, работающая при содержании кислорода 25 %, обладает меньшей тепловой инерцией по сравнению с печью, работающей при 21 %. Для обеспечения стабильной эксплуатации операторам требуется более точный контроль распределения шихты, температуры дутья и содержания влаги.

Прирост производительности: что показывают данные

Влияние обогащения кислородом на производительность хорошо задокументировано. Промышленные данные интегрированных сталеплавильных комбинатов показывают, что каждое повышение степени обогащения кислородом на 1 % приводит примерно к росту производственной мощности на 3–4 % при стабильной температуре дутья и неизменном качестве шихты. При обогащении до 25 % это соответствует росту производительности на 12–16 % по сравнению с работой на атмосферном воздухе.

Снижение расхода кокса особенно ценно. Кокс — самый дорогой сырьевой компонент в процессе доменной плавки, а его производство сопровождается значительными выбросами CO₂. Снижение потребления кокса на 5 % на сталеплавильном комбинате мощностью 2 млн тонн стали в год позволяет ежегодно экономить около 5 млн долларов США на закупке кокса и одновременно сократить углеродный след.

Пример практического внедрения: интегрированный комбинат в северной части Китая

Крупный интегрированный сталеплавильный комбинат в северном Китае внедрил поэтапную программу обогащения дутья кислородом в течение 18-месячного периода. На предприятии уже имелась установка разделения воздуха, производившая кислород для других процессов, однако ранее кислород не подавался в дутьё доменной печи. Проект включал установку кислородных инжекторов на уровне фурм, модернизацию системы управления для обеспечения контроля дополнительного потока кислорода и обучение операторов новым параметрам эксплуатации.

Результаты стали заметны уже в первом квартале. Производство выросло на 11 % при обогащении дутья кислородом до 24,5 %, а расход кокса снизился на 7 %. Комбинат достиг этих показателей без значительных капитальных вложений — кислород уже производился, а модификации доменной печи были относительно незначительными. Срок окупаемости, рассчитанный как соотношение затрат на производство и подачу кислорода к экономии на коксе и росту стоимости выпускаемой продукции, составил менее двенадцати месяцев.

Возникли операционные трудности. Для предотвращения канализации — состояния, при котором газы проходят преимущественно через отдельные зоны, вызывая неравномерное восстановление и потенциальное образование каркасных структур, — требовался более частый контроль распределения шихты в печи. Операционная команда скорректировала режимы загрузки через бесколокольную систему подачи, и работа доменной печи стабилизировалась в течение шести недель после начала подачи кислорода.

Аспекты обеспечения кислородом для инжекции в доменную печь

Кислород для обогащения доменной печи обычно поступает либо от стационарной установки разделения воздуха, либо по трубопроводу. Требования к чистоте кислорода умеренные по сравнению с другими областями его применения: для инжекции в доменную печь достаточно 90–95 % кислорода, тогда как в медицинских или полупроводниковых целях требуется чистота не ниже 99,5 % .

Это более низкое требование к чистоте расширяет возможности поставок. Системы вакуумной адсорбции с переменным давлением (VPSA) способны производить кислород чистотой 90–95 % при меньших капитальных и эксплуатационных затратах по сравнению с криогенной сепарацией воздуха, хотя обычно они ограничены меньшими мощностями. Для крупных металлургических комбинатов криогенные установки разделения воздуха (ASU) остаются стандартом: они производят кислород чистотой выше 99,5 % и обладают гибкостью одновременного получения азота и аргона.

Сама система инжекции кислорода требует тщательного проектирования. Кислород должен подаваться под достаточным давлением, чтобы преодолеть противодавление доменной печи — обычно 3–5 бар. Инжекционные фурмы должны быть спроектированы так, чтобы выдерживать высокие температуры на уровне фурм — около 2000 °C, — а поток кислорода должен регулироваться с высокой точностью для поддержания заданного уровня обогащения.

Аспекты безопасности при обращении с кислородом

Обогащение кислородом влечёт за собой вопросы безопасности, требующие внимания. Кислород поддерживает горение интенсивнее, чем воздух, и любая утечка или непреднамеренный контакт с углеводородами может создать пожароопасную ситуацию. Трубопроводы для подачи кислорода должны проектироваться в соответствии со стандартами эксплуатации в кислородной среде, с жёсткими требованиями к чистоте и соответствующим выбором конструкционных материалов.

Отраслевые стандарты напрямую регулируют данные вопросы. Документ CGA G-4.1 Ассоциации сжатых газов (Compressed Gas Association) содержит исчерпывающие рекомендации по очистке и проектированию кислородных систем. Стандарт ASME B31.3 охватывает требования к трубопроводам для кислородной среды, включая выбор материалов и конструирование соединений.

Предприятия, внедряющие обогащение кислородом, должны провести всесторонний анализ опасностей до ввода в эксплуатацию, охватывающий потенциальные сценарии утечек, процедуры аварийного отключения и обучение операторов. Риски поддаются контролю при применении надлежащих инженерных решений и эксплуатационных процедур.

Когда обогащение кислородом оправдано — и когда нет

Обогащение кислородом не всегда выгодно. Экономическая целесообразность зависит от стоимости кислорода, цены на кокс и стоимости дополнительного объёма продукции. Заводы с собственным производством кислорода — особенно те, у кого имеется избыточная мощность установок разделения воздуха (ASU) — являются естественными кандидатами. Заводы без существующего кислородного обеспечения сталкиваются с капитальным решением: установить ASU или систему вакуумно-псорбционной очистки воздуха (VPSA), либо продолжать работу на атмосферном воздухе с более низкой производительностью.

Существуют также специфические особенности, связанные с конкретными печами. Доменные печи, работающие вблизи максимальной производственной мощности, могут получить лишь незначительный прирост от обогащения кислородом — узким местом становятся последующие процессы, например, конвертерное передельное производство или непрерывная разливка. В таких случаях обогащение кислородом может не обеспечить ожидаемого роста производительности.

Для печей с ограниченными поставками кокса или при высоких ценах на кокс экономическая выгода возрастает. Каждая тонна сэкономленного кокса — это тонна, которую не нужно покупать, транспортировать и загружать в печь.

GreenFir поставляет криогенное оборудование для разделения воздуха для производства кислорода на металлургических заводах, имея опыт установки такого оборудования на комбинатах полного цикла в Азии.