21 января 2018г.
Интенсификация производства черных металлов требует повышения объема производства агломерата и окатышей, необходимых для получения чугуна и стали. Несмотря на то, что агломерация железных руд является хорошо изученным процессом, увеличение выпуска продукции, повышение удельной производительности установок, вовлечение в производство руд различного генезиса и другие факторы способствуют выпуску агломерата невысокого качества [1-2, 5, 7]. Вклад в снижение качества агломерата вносит и агломерационное топливо, которым традиционно является коксовая мелочь.
В связи с ростом производительности, проблема дефицита коксовой мелочи приобретает все большую актуальность, вместе с тем возникает необходимость поиска новых видов агломерационного топлива. Изучение поведения новых топлив при агломерации является первоочередной задачей. Эксперименты с введением в шихту альтернативных видов твердых топлив выявили как их преимущества, так и недостатки [2, 4]. Наибольшую распространенность получил уголь антрацит, отличающийся от других натуральных видов топлива низким содержанием летучих компонентов (в среднем около 5 %) и высоким содержанием углерода. Антрацитовый штыб не требует дополнительной термической обработки, его стоимость ниже стоимости коксовой мелочи.
Однако, замена коксовой мелочи антрацитовым штыбом не равноценна. В условиях слоевого процесса большая теплотворная способность антрацита не вносит значительного вклада в приходную часть теплового баланса процесса агломерации по причине его меньшей горючести. Было установлено, что количество тепла, выделяемое сжигаемым топливом в единицу времени, в большей степени зависит от времени нахождения частиц топлива в движущейся зоне горения и его химической активности и в меньшей от калорийности топлива. Целью работы является нахождение констант скорости реакций горения углерода кокса и антрацита, расчет тепловыделения смеси антрацитового штыба и коксовой мелочи на основе данных констант. При расчете принято следующее: количество углерода в шихте 6 кг/100 кг агломерата; горение углерода происходит до диоксида углерода, реакции неполного горения и газификации не учитываются при расчете тепловыделения.
Исследовался кокс производства ОАО «Уральская Сталь» и антрацит ПАО «Южный Кузбасс». Технический анализ топлив приведен в таблице 1.
Таблица 1 Технический анализ кокса и антрацита (сухая масса)
|
Кокс
|
Антрацит
|
Снел
|
82,74 %
|
74,86 %
|
Aс
|
15,80 %
|
20,80 %
|
Sc
|
0,56 %
|
0,24 %
|
Vc
|
0,90 %
|
4,10 %
|
Углеродистое вещество антрацита более аморфно, углерод кокса частично графитизирован. В результате, теплотворная способность антрацита выше. Реакции полного горения имеют вид:
Кокс
С + О2 = СО2 + 12632 кДж/кг О2 (1.1)
Антрацит
С + О2 = СО2 + 12719 кДж/кг О2 (1.2)
При расчетах использована температура 1350 оС (1623 K) – нижняя граница температуры, достигаемая в процессе при работе на коксовой мелочи. Получены следующие величины констант скорости реакций (1.1) и (1.2):
Таблица 2 Результаты расчета тепловыделения, кДж/100 кг агломерата
Доля углерода антрацита
|
Доля углерода кокса
|
Тепловыделение
|
0
|
1
|
159764
|
0,05
|
0,95
|
155361
|
0,20
|
0,80
|
142149
|
0,50
|
0,50
|
115727
|
1
|
0
|
71689
|
Результаты расчета показывают, что повышение доли антрацита в смеси от 0 до 1 влечет снижение тепловыделения в 2,23 раза. Можно сделать вывод, что в условиях агломерации большая теплотворная
способность антрацита
не
реализуется по причине меньшей химической активности антрацита
по отношению к кислороду. Проведенные лабораторные исследования по определению горючести кокса и
антрацита подтверждают расчетные данные.
Эксперимент проводился в трубчатой печи при температуре 1100 оС (температура рекомендована ГОСТ Р 50921-2006). Методика эксперимента заключается в непрерывном взвешивании образца с топливом
при
продувке воздухом в количестве 3 л/мин. Предварительно навеска выдерживалась при рабочей
температуре в атмосфере азота до достижения постоянной массы. После начала подачи воздуха, продувка
велась до момента прекращения изменения массы образца. На рисунке 1 приведены построенные по результатам эксперимента кинетические кривые сжигания кокса и
антрацита.
Несмотря на меньшее содержание в антраците углерода, его выгорание занимает существенно большее время – 138 минут против 116 минут для коксовой мелочи. Углерод антрацита имеет меньшую
химическую активность в сравнении с углеродом кокса. Таким образом, расчет, показавший меньшую скорость взаимодействия антрацита с кислородом, подтверждается экспериментально. Антрацит не может являться полноценной
заменой
коксовой мелочи при
агломерации железорудного сырья.
Список литературы
1.
Агломерация рудных материалов. Научное издание/Коротич В.И., Фролов Ю.А., Бездежский Г.Н. Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2003.
400 с
2.
Использование топлива в агломерации.
Ю.С. Карабасов,
В.С. Валавин.
«Металлургия», 1976.
264 с
3.
Калинчак В.В., Черненко А.С. Влияние реакции взаимодействия углекислого газа с углеродом на характеристики высокотемпературного тепломассообмена пористой углеродной частицы//Физика
аэродисперсных систем. 2012 г.
Вып. 49. с. 54-67
4.
Куренков Д.С. Использование топлива при агломерации железных руд// Вестник МНЭПУ. 2013. Т. 6. с.
110-114
5.
Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд., перераб. и доп./Под редакцией Ю.С. Юсфина. –
М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. 774 с
6.
Основы практической теории горения: Учебное пособие для вузов // В.В. Померанцев. 2-е изд.,
перераб. и
доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленинградское отд-ние, 1986. 312
с
7.
Писарев С.А., Куренков Д.С., Малышева Т.Я. Особенности поведения магнетитовых руд
ковдорского месторождения в аглопроцессе//Изв. вуз. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 5. с. 354- 356