EA013386B1 - Способ эксплуатации шахтной печи и шахтная печь, эксплуатируемая данным способом - Google Patents

Abstract

В изобретении описан способ эксплуатации шахтной печи, в котором в верхнюю часть шахтной печи загружают сырье, которое под действием силы тяжести спускается внутрь шахтной печи, и под действием атмосферы, преобладающей в шахтной печи, часть сырья плавится и/или восстанавливается, а в нижнюю часть шахтной печи нагнетают технологический газ, чтобы, по меньшей мере, частично изменить атмосферу, преобладающую в шахтной печи. Нагнетание технологического газа квазипериодически модулируют таким образом, что в процессе модуляции технологические параметры - давление р и/или объемный расход V меняются периодически, по меньшей мере, с длительностью цикла ≤5 с, предпочтительно ≤1 с. Также описана шахтная печь, эксплуатируемая упомянутым способом, за счет чего обеспечивают улучшенное сквозное выдувание газа.

Description

Настоящее изобретение относится к способу эксплуатации шахтной печи, в котором в верхнюю часть шахтной печи загружают сырье, которое под действием силы тяжести опускается в печь, при этом под действием атмосферных условий в шахтной печи происходит частичное плавление и/или восстановление сырья, а в нижнюю часть шахтной печи нагнетают технологический газ с целью, по меньшей мере, частично регулировать атмосферу в шахтной печи, а также к шахтной печи, рассчитанной на применение упомянутого способа, такой как доменная печь, вагранка или печь для сжигания бытовых отходов.

Известен соответствующий способ, т.е. шахтная печь данного типа. Его преимущественно используют в качестве основной системы получения первого переплава железа, при этом доля применения других способов составляет всего около 5% от данного способа. Шахтная печь способна работать согласно противоточному принципу. Через колошник в верхней части печи загружают сырье, такое как шихту и кокс, откуда оно спускается в шахтную печь. В нижней части печи (на уровне воздушных фурм) технологический газ (форсированный газ в объеме 800-10000 м³/ЖЕ в зависимости от размера печи) принудительно подают в печь через фурмы. Этот форсированный газ, которым обычно является воздух, предварительно нагретый в воздухонагревателях системы Каупера до температуры от около 1000 до 1300°С, вступает в реакцию с коксом, в результате чего среди прочего образуется окись углерода. Окись углерода поднимается в печи и восстанавливает железную руду, содержащуюся в шихте.

С целью содействия образованию окиси углерода в печь также часто нагнетают дополнительные восстановители (такие как угольная пыль, нефть или природный газ), в частности, в количестве 100-170 кг/ίΚΕ.

Помимо восстановления железной руды происходит плавление сырья под действием тепла, которое генерируется в шахтной печи в ходе соответствующих химических процессов. Тем не менее, распределение температур в шахтной печи является неравномерным. Это приводит к возникновению по центру шахтной печи явления, которое называют мертвяк, а важные процессы, такие как газификация (реакция кислорода с коксом или заменяющими восстановителями с образованием окиси углерода или двуокиси углерода) преимущественно протекают только в так называемой зоне завихрения, области, расположенной перед фурмой, и, таким образом, только в периферийной по отношению к поперечному сечению печи области. Глубина этой зоны завихрения в направлении центра печи составляет около 1 м, объем - около 1,5 м³. На уровне воздушных фурм по окружности печи обычно расположено несколько фурм таким образом, что зона завихрения, образующаяся перед каждой фурмой, слева и справа перекрывает соседние зоны завихрения, в результате чего образуется преимущественно круглая активная область. Во время эксплуатации шахтной печи эта область образует так называемое птичье гнездо.

С целью интенсификации описанных выше процессов (газификации в зоне завихрения, восстановления железной руды) обычно также можно обогащать горячий форсированный газ кислородом, в результате чего повышается производительность шахтной печи. Горячий форсированный газ может быть обогащен кислородом до нагнетания или в качестве альтернативы может отдельно вводиться чистый кислород, при этом такое отдельное введение осуществляют с помощью так называемой трубки, проходящей, в частности, внутри фурмы, которая сама является трубчатым элементом, и выходящей через площадь отверстия фурмы, ведущего в печь. Горячий форсированный газ подвергают соответствующему обогащению концентрированным кислородом в особенности в современных доменных печах, в которых используют небольшое количество кокса. В то же время, в результате добавления кислорода растут затраты на производство, поэтому КПД современной доменной печи невозможно повысить просто путем еще большего увеличения концентрации нагнетаемого кислорода.

Также известно, что существует взаимосвязь между КПД или степенью эффективности современной шахтной печи и так называемым сквозным выдуванием газа, т.е. потоком газа через шахтную печь. Вообще говоря, это зависит от того, насколько эффективно газификация в зоне завихрения восстанавливает железную руду и насколько эффективно газовая фаза, присутствующая в шахтной печи поднимается с уровня фурм до верха печи, через который выпускают так называемый отходящий газ. Одним из показателей улучшения сквозного выдувания газа является, в частности, минимальное возможное падение давления в печи.

Вместе с тем, было обнаружено, что, несмотря на обогащение кислородом горячего форсированного газа, сквозное выдувание газа в современных доменных печах все же не является полностью удовлетворительным. В связи с этим, задачей настоящего изобретения является создание способа эксплуатации шахтной печи, обеспечивающего улучшенное сквозное выдувание газа.

Согласно изобретению данная задача решена за счет применения способа, функциональные особенности которого заявлены в п.1, и шахтной печи, признаки которой заявлены в п.11.

С точки зрения методики задача изобретения решена описанным выше способом с использованием динамически модулированного нагнетания технологического газа. Модуляция технологического газа происходит таким образом, что технологические параметры: давление р и/или объемный расход V меняются в течение временного интервала <40 с. Более точно, изменение давления и/или объемного расхода происходит в течение временного интервала <20 с, предпочтительно <5 с и наиболее предпочтительно <1 с. Это объясняется тем, что, как было установлено, значительное улучшение сквозного выдувания газа и,

- 1 013386 следовательно, соответствующее повышение производительности и КПД достигается, когда в печь не подают сразу весь технологический газ, а вводят его меняющимися порциями в течение коротких временных интервалов.

Конечно, даже в обычных способах применяют изменение нагнетания технологического газа, т.е. при каждом запуске и останове печи, когда для новой порции сырья задают отличающиеся технологические параметры или когда просто с целью повышения производительности повышают концентрацию кислорода в горячем форсированном газе. Тем не менее, эти изменения во времени имеют лишь единовременный характер и происходят на протяжении временного интервала в несколько часов. В отличие от этого, динамически модулированное нагнетание технологического газа происходит в течение временных интервалов, составляющих менее одной минуты, поскольку среднее время пребывания газа в шахтной печи составляет лишь 5-10 с. По сравнению с предложенной в изобретении динамической модуляцией, в случае изменения во времени технологических параметров через промежутки времени свыше одной минуты получают сравнительно ограниченный временной интервал, на протяжении которого технологические параметры не являются статическими. Это означает, что временной интервал между двумя изменениями технологических параметров, на протяжении которого эти технологические параметры остаются преимущественно постоянными, т.е. статическими, превышает временной интервал, необходимый для обеспечения преимущественно стационарных условий. Если не считать относительно коротких периодов переключения, эти изменения являются в основном статическими и поэтому именуются квазистатической модуляцией. В случае динамической модуляции согласно изобретению временной интервал, на протяжении которого условия в шахтной печи не являются стационарными, превышает временной интервал, на протяжении которого условия являются преимущественно стационарными.

Эта динамическая модуляция приводит к возбуждению областей нулевого движения в зоне завихрения, в результате чего увеличивается общая турбулентность в зоне завихрения и улучшается сквозное выдувание газа в зоне завихрения и, следовательно, в шахте печи.

В частности, такая модуляция выгодна, когда ее осуществляют квазипериодически и, в особенности, периодически, при этом длительность Т цикла составляет менее 40 с, предпочтительно 20 с или менее и в идеале 5 с или менее. Для периодической модуляции характерна функция времени ί(1), в которой ί(1+Τ) = ί(1), что по совпадению определяет длительность Т цикла. Термин квазипериодическая модуляция означает, с одной стороны, что основная модуляция имеет периодический характер, скажем, функцию 11(1) = д(1) · ί(1) с периодической функцией ί(1) и огибающей функцией д(1), которая по сравнению с ί(1) оказывает лишь незначительное качественное действие на структуру 1(1). С другой стороны, квазипериодическая модуляция может быть рассмотрена как модуляция, в которой д(1) является постоянной, но случайной функцией, которая некоторым образом искажает структуру постоянной функции ί(1), хотя лежащая в основе периодическая структура остается распознаваемой. Периодическая модуляция данного характера способна порождать подобный периодический процесс, протекающий в зоне завихрения, в результате чего дополнительно улучшается сквозное выдувание газа.

С практической точки зрения длительность Т цикла должна составлять 60 мс или более, предпочтительно 100 мс или более и особо предпочтительно 0,5 с или более. Хотя время пребывания технологического газа в зоне завихрения крайне мало, при длительности цикла в указанных пределах может быть обеспечена удовлетворительная скорость сквозного выдувания газа, тогда как при модуляции с еще меньшей длительностью цикла увеличивается техническая сложность.

Таким образом, длительность Т цикла составляет 40 с > Т > 60 мс, предпочтительно 20 с > Т >100 мс, более предпочтительно 10 с > Т > 7 с и в идеале 5 с > Т > 0,5 с. В частности, Т выбирают таким образом, чтобы технологический газ создавал в шахтной печи турбулентный поток и преимущественно предотвращал образование областей ламинарного обтекания.

В упрощенном варианте осуществления способа модуляция имеет гармоническую форму. Она легко достижима с помощью простой синусоидальной модуляции ί(1) = ί_ο + Δί 5ше (2πί/Τ).

В особо предпочтительном варианте осуществления способа модуляция является импульсной. Модуляция данного характера может быть описана, скажем, функцией ί(1) = ί_ο + Σ, 8(1-1,), в которой δ(1) в целом описывает импульс, т.е. периодические пики импульсов преимущественно на постоянном фоне. Сами импульсы могут иметь прямоугольную/квадратную, треугольную или колоколообразную форму (расширенный математический δ-импульс) или подобную форму, при этом точная форма импульса является менее определяющей, чем ширина σ импульса, которая представляет собой ширину импульса на уровне половины амплитуды (Е^НМ). Применимую зависимость ширины импульса получают при σ равной 5 с или менее, предпочтительно 2 с или менее и особо предпочтительно 1 с или менее. По той же причине ширину σ импульса предпочтительно выбирают равной 1 мс или более, предпочтительно 10 мс или более и особо предпочтительно 0,1 с или более. Импульсы очень малой ширины сложно получить, хотя они позволяют с соответствующим коротким временем запаздывания вмешиваться в процессы, происходящие в зоне завихрения.

В одном из предпочтительных вариантов осуществления способа соотношение ширины импульса и длительности цикла σ:ϊ при периодических пульсациях составляет 0,5 или менее, предпочтительно 0,2

- 2 013386 или менее и особо предпочтительно 0,1 или менее. Таким образом, конкретная ширина импульса σ составляет 5 с > σ > 1 мс, предпочтительно 0,7 с > σ > 25 мс, более предпочтительно 0,1 с > σ > 30 мс и наиболее предпочтительно 55 мс > σ > 35 мс.

Соотношение а:Т должно составлять 10^-4 или более, предпочтительно 10^-3 или более и особо предпочтительно 10^-2 или более. Оно обеспечивает комбинированное воздействие, направленное на процессы, которые периодически возникают в зонах завихрения, и связанное с конкретными значениями времени запаздывания.

В одном из возможных вариантов осуществления способа амплитуда модуляции на 5% или более, предпочтительно на 10% или более и особо предпочтительно на 20% или более превышает исходное значение с учетом того, что, как было установлено, даже небольшие изменения амплитуды уже позволяют обеспечить удовлетворительное сквозное выдувание газа. Амплитуду модуляции предпочтительно ограничивают относительно исходного значения уровнем в 100% или менее, предпочтительно 80% или менее и особо предпочтительно 50% или менее. В этих пределах можно легко осуществлять, в частности, гармонические модуляции.

При импульсной модуляции амплитуда импульса предпочтительно превышает преимущественно немодулированное значение между двумя импульсами в 2 или более раза, предпочтительно в 5 или более раз и особо предпочтительно в 10 или более раз. За счет этого возрастает действие модуляции, в результате чего усиливается разрушение областей нулевого расхода в зоне завихрения и, в конечном итоге, улучшается сквозное выдувание газа в печи. В то же время, по технологическим причинам данное значение предпочтительно ограничено 200 или менее, предпочтительно 100 или менее и особо предпочтительно 50 или менее.

По существу, нагнетание технологического газа может быть модулировано несколькими различными способами. Тем не менее, модуляцию предпочтительно осуществляют путем выбора по меньшей мере одного конкретного технологического параметра, в особенности, регулирующего нагнетание технологического газа. Например, за счет модуляции давления горячего форсированного газа можно ускорить газификацию в зоне завихрения и, тем самым, улучшить сквозное выдувание газа в шахте печи. При модуляции давления можно получать пиковые значения давления, скажем, в 300 бар. Особо предпочтительно, если нагнетаемый технологический газ содержит дифференцируемые составляющие. Конечно, это относится не только к очевидному разложению газа на его составляющие (такие как азот, кислород и т.д.), но также к различным газовым фазам, которые могут быть дифференцированы в силу того факта, что по меньшей мере на одной стадии нагнетания их вводят по отдельности. Примером является раздельная подача кислорода через трубки, клапаны или мембраны.

Результат, достигаемый с помощью способа согласно изобретению, в значительной мере еще более усиливается, когда вместе с технологическим газом и/или помимо технологического газа в шахтную печь загружают дополнительные восстановители. Как упомянуто выше, дополнительными восстановителями могут являться угольная пыль, в частности, получаемая из антрацита, другая металлургическая пыль, а также вещества с мелкими частицами, нефть, жир, смола с природным газом или другими углеводородными носителями, которые под действием кислорода преобразуются в СО2 и СО и присутствуют в основном в форме наночастиц. По существу, результатом модуляции согласно изобретению может являться более высокий уровень преобразования вводимых дополнительных восстановителей. Это особенно относится к случаю импульсной модуляции, поскольку импульсы усиливают преобразование. Кроме того, за счет упомянутого выше усиления общей турбулентности в зоне завихрения, очень короткое время пребывания дополнительных восстановителей в зоне завихрения увеличивается с около 0,03 до 0,05 с, что также приводит к увеличению преобразования восстановителей. К тому же, в результате улучшения преобразования дополнительных восстановителей уменьшается доля несгоревших частиц, что, в свою очередь, способствует сквозному выдуванию газа в области птичьего гнезда и позволяет дополнительно увеличить скорость нагнетания.

В других предпочтительных вариантах осуществления способа динамически модулируют давление и/или объемный расход по меньшей мере одной из дифференцируемых составляющих технологического газа и/или давление и/или массовый расход нагнетаемого дополнительного восстановителя. Соответственно, сквозному выдуванию газа в шахте печи в еще большей степени способствует, скажем, импульсная подача дополнительной кислородной составляющей. В качестве альтернативы или в ходе комбинированного процесса можно динамически модулировать давление или массовый расход вводимых дополнительных восстановителей. Конечно, если плотность дополнительных восстановителей остается неизменной, массовый и объемный расход будет одинаковым, при этом среднюю плотность дополнительных восстановителей можно динамически модулировать даже при постоянном объемном расходе. Кроме того, можно, по меньшей мере, периодически полностью или частично нагнетать инертный газ, скажем, для сглаживания температурных всплесков или охлаждения линий подачи или клапанов, установленных на линиях подачи.

В идеале упомянутым выше технологическим параметром является абсолютное количество одной из дифференцируемых составляющих нагнетаемого технологического газа и/или пропорциональное ко

- 3 013386 личество одной из дифференцируемых составляющих относительно другой составляющей или технологического газа в целом. За счет этого можно очень простым способом динамически модулировать, скажем, абсолютное количество кислорода или относительную концентрацию кислорода, даже если не требуется модулировать основную нагрузку, то есть сам горячий форсированный газ. Это в особенности легко осуществить, когда, по меньшей мере, на протяжении части процесса нагнетания отдельно вводят чистый кислород или газовую фазу, в которой концентрация кислорода увеличена по сравнению с воздухом. Если такое нагнетание осуществляют в импульсном режиме, может быть еще больше усилено преобразование дополнительных восстановителей, что сопровождается упомянутым выше усиленным действием, при этом, скажем, амплитуда дополнительного объемного расхода кислорода может составлять 0,25-20%, предпочтительно 0,5-10% и особо предпочтительно 1-6% относительно фонового форсированного газа.

Это также служит примером предпочтительного осуществления способа, когда модулируют два или более (различных) технологических параметра. В данном случае можно сочетать модуляцию нескольких параметров, таких как давление горячего форсированного газа, кислородную составляющую, давление дополнительного кислорода, давление или концентрацию дополнительных восстановителей и т.д., когда необходимо оценить выбор между дополнительными расходами на еще одну модуляцию и ожидаемой возрастающей эффективностью.

В особо предпочтительном варианте осуществления способа в шахтную печь по меньшей мере через два различных канала нагнетают технологический газ и динамически модулируют первый технологический параметр с целью регулирования составляющей, вводимой через первый канал, и динамически модулируют второй технологический параметр с целью регулирования составляющей, вводимой через второй канал, хотя первый и второй технологические параметры могут являться одинаковыми параметрами, модуляция которых, тем не менее, различается. В качестве общего принципа в каждой фурме может динамически модулироваться одинаковый или отличающийся технологический параметр, что означает, что модуляция составляющих технологического газа, вводимых через соответствующие фурмы, может осуществляться индивидуально, т.е. независимо. В каждом случае может быть полезным объединять группу составляющих, вводимых через соседние каналы и создавать независимые группы нагнетания, допускающие аналоговую модуляцию.

Данный подход может применяться, скажем, для разбивки эксплуатации печи на сектора с сохранением возможности равномерного распределения технологического газа (горячего форсированного газа) среди фурм.

В другом предпочтительном варианте осуществления способа первый и второй технологические параметры модулируют с одинаковой длительностью Т цикла, но со сдвигом их относительных фаз на определенную величину. Фазой в данном случае является временной сдвиг относительно длительности Т цикла. Если, например, относительный временной сдвиг составляет Т/2, оба технологических параметра модулируют в противофазном режиме. Тем не менее, с учетом небольшой продолжительности горения в зонах завихрения, возможно, желательно незначительно задерживать импульсы кислорода относительно соответствующего импульсного увеличения количества дополнительных восстановителей, скажем, со сдвигом на 0 < φ< π/2.

В одном из особо предпочтительных вариантов осуществления способа в качестве характеристической собственной частоты генерации частичной системы атмосферы в шахтной печи задают величину Т^-1, обратную длительности цикла. Термин частичная система атмосферы относится к пространственному разделению, которое в данном случае включает зоны завихрения, но также может относиться к физикохимическим параметрам атмосферы, таким как распределение давления, тепловое распределение, распределение плотности, распределение или состав температур. Собственной частотой генерации может являться частота линейной стимуляции в радиальном направлении (в направлении от фурмы к центру печи) или турбулентных стимуляций в зоне завихрения отдельной фурмы, но также турбулентной стимуляции за пределами зоны завихрения вдоль окружности шахтной печи, при этом в центре пространства этой стимуляции расположен мертвяк, образующий топологическое отверстие для такого вихревого колебания. Путем стимуляции частичной системы на одной из ее резонансных частот можно обеспечить резонансное сквозное выдувание газа в зоне(ах) завихрения, в результате чего улучшается общее сквозное выдувание газа в шахте печи и тем самым повышается КПД шахтной печи. Особо предпочтительной является модуляция, скажем, длительности импульсов, частоты следования импульсов или интенсивности импульсов таким образом, чтобы в шахтной печи генерировалась стационарная волна. Дополнительно или в качестве альтернативы, модуляцию осуществляют таким образом, чтобы сырье спускалось в шахтной печи равномерно и особо предпочтительно в виде потока вытеснения. С этой целью модуляцию можно регулировать в зависимости от измеренных технологических параметров.

Другим преимуществом описанного способа является действие, которое он оказывает на геометрию зон завихрения путем расширения области, в которой происходит основное преобразование угля. Иными словами, производительность шахтной печи, т.е. ее КПД может быть повышен без дополнительных затрат на энергию или оборудование.

Согласно другой особенности изобретения предложен поясненный вначале способ, при осуществ

- 4 013386 лении которого на первой стадии после выбора конкретного параметра динамически модулируют по меньшей мере один из технологических параметров, регистрируют действие модуляции по меньшей мере одного технологического параметра по меньшей мере на одну характеристику шахтной печи, после чего изменяют параметр согласно заданной системе и повторно устанавливают измененный параметр, регистрируют действие каждой модуляции и повторной установки на характеристику печи и затем согласно конкретным критериям выбора выбирают из зарегистрированных значений характеристики, соответствующих измененным параметрам, значение характеристики вместе с соответствующим значением параметра, а на второй стадии на основании выбранного значения параметра динамически модулируют по меньшей мере один технологический параметр. Данный способ выгодно показывает, как может быть соответствующим образом осуществлена динамическая модуляция, заключающаяся в том, что изменяют параметр, которым может являться, скажем, длительность цикла периодической модуляции, и в результате такого изменения на основании конкретной характеристики, такой как КПД шахтной печи, выбирают оптимальное значение параметра (скажем, оптимальную длительность цикла) для динамической (скажем, периодической) модуляции.

Данный процесс оптимизации может быть выгодно распространен на дополнительные параметры, в результате чего динамическую модуляцию осуществляют на основании оптимального числа параметров.

Настоящее изобретение также относится к шахтной печи, эксплуатируемой с использованием предложенного в изобретении способа. В частности, шахтная печь сконструирована в расчете на способ согласно изобретению, как это пояснено далее.

Система нагнетания технологического газа в шахтной печи данного типа включает первый и второй трубчатый элемент, при этом часть технологического газа подают по главной линии, через первый трубчатый элемент нагнетают окислитель и через второй трубчатой элемент нагнетают дополнительный восстановитель. Это является технически простым способом раздельного нагнетания окислителя, такого как кислород или обогащенный кислородом воздух, а также дополнительного восстановителя в шахтную печь и позволяет осуществлять взаимно независимую и физически приемлемую динамическую модуляцию процессов нагнетания. Согласно изобретению предусмотрено соответствующее устройство управления, которое регулируют таким образом, чтобы изменять технологические параметры, т. е. давление р и/или объемный расход V в течение временного интервала <40 с.

Обнаружено, что особо целесообразно, чтобы первый и второй трубчатые элементы были, по меньшей мере, частично объединены в двойную трубку, для чего трубчатые элементы могут быть расположены концентрически на одной оси или параллельно в соответствии с функциональными требованиями к трубчатым элементам при компактной конфигурации.

Вместе с тем, первый и второй трубчатые элементы могут представлять собой разнесенные в пространстве трубки, и в таком случае по меньшей мере один угол выхода одного их трубчатых элементов относительно горизонтальной и/или вертикальной плоскости шахтной печи является регулируемым, особо предпочтительно углы выхода обоих трубчатых элементов являются регулируемыми независимо друг от друга. Это позволяет варьировать направление нагнетания дополнительного кислорода или дополнительного восстановителя относительно геометрии зоны завихрения. Вместе с тем, это также, в частности, даже позволяет осуществлять динамическую модуляцию, аналогичную описанной выше, угла выхода в процессе работы шахтной печи.

Линии подачи сырья в шахтную печь снабжены клапанами, в особенности, из керамического материала, в частности дисковыми или плунжерными клапанами с электромагнитным управлением, обладающими высокой теплостойкостью и невосприимчивостью к воздействию изменений температуры. Эти клапаны отличаются особо низким коэффициентом теплового расширения, что обеспечивает их бесперебойную работу даже при экстремально высоких температурах в процессе эксплуатации.

Система нагнетания технологического газа предпочтительно соединена по меньшей мере с двумя резервуарами, которые подвергаются особо сильному пульсирующему напряжению. В частности, резервуары различаются размером и/или давлением нагнетания, поэтому в зависимости от того, что необходимо для обеспечения конкретной модуляции, может быть подсоединен соответствующий резервуар. Также может быть подсоединено несколько одинаковых резервуаров, чтобы при опорожнении используемого резервуара давление в резервуаре падало лишь незначительно и оставалось достаточно времени для заправки такого резервуара до первоначального уровня, пока будет подсоединен другой резервуар.

Обычно система нагнетания технологического газа имеет первый набор клапанов и второй, резервный, набор клапанов. За счет этого можно чередовать работу отдельных наборов, позволяя клапанам охлаждаться. Процесс охлаждения может быть дополнительно усовершенствован за счет использования газа, в особенности инертного газа, для охлаждения клапанов, которые не требуются для нагнетания технологического газа.

Согласно другой особенности изобретения предложен способ эксплуатации шахтной печи, отличающийся, помимо описанных выше функциональных признаков, тем, что из верхней части шахтной печи динамически модулируют атмосферу, преобладающую в верхней области печи. За счет этого описанное выше действие динамической модуляции, ограниченное атмосферой в зонах завихрения, может быть распространено на более широкую область, скажем, за счет динамической модуляции топочного

- 5 013386 газа, присутствующего в площади сечения колошника шахтной печи. Это может быть сделано, скажем, путем нагнетания дополнительного газа в верхнюю часть шахтной печи и/или модуляции давления топочного газа посредством соответствующего регулирования клапанов, расположенных в наклонном канале для топочного газа.

В частности, динамическая модуляция, осуществляемая на уровне воздушных фурм, и динамическая модуляция, осуществляемая в верхней (колошниковой) части, могут быть приведены во взаимное соответствие. Это позволит осуществлять дополнительные резонансные стимуляции части атмосферы в шахтной печи, что, в свою очередь, способно улучшить сквозное выдувание газа в шахтной печи. Эти процессы динамической модуляции могут быть успешно приведены в соответствие друг с другом, скажем, с точки зрения периодичности и амплитуды таким образом, чтобы дополнительная прямая резонансная стимуляция или стимуляция части атмосферы, преобладающей в шахтной печи, происходила только вследствие эффекта взаимодействия внешних стимуляций.

Другие преимущества и подробности изобретения станут очевидными из следующего далее пояснения приложенных чертежей, на которых на фиг. 1 показана диаграмма зависимости времени и давления, на фиг. 2 - другая диаграмма зависимости времени и давления, на фиг. 3 - диаграмма зависимости времени и концентрации, на фиг. 4 - диаграмма зависимости времени и массового расхода и на фиг. 5 - комбинированная диаграмма зависимости времени, массового и объемного расходов.

На фиг. 1 проиллюстрировано, как может быть динамически модулировано давление, скажем, технологического газа, нагнетаемого в шахтную печь. Как показано, давление р(() гармонически колеблется в районе исходного давления р_о с частотой ί = 1/Т = 10 Гц. В данном примере исходное давление р_о составляет 2,4 бар. Амплитуда 2Др давления в данном примере составляет 1,2 бар, то есть 50% значения исходного давления р_о. Соответственно, распределение давлений горячего форсированного газа, показанное на фиг. 1, задано уравнением Р(() = р_о + Др 81пс (2π ί/Τ).

На фиг. 2 показана импульсная модуляция давления составляющей технологического газа, нагнетаемой в шахтную печь. В частности, это может быть чистый кислород, который нагнетают в шахтную печь помимо горячего форсированного газа. В этом случае модуляция также является периодической, даже хотя длительность цикла Т = 4 с. Амплитуда импульса р_тах составляет 50 бар, что при атмосферном давлении нагнетаемого горячего форсированного газа, скажем, в 2,5 бар, соответствует пульсации с коэффициентом амплитуды, равным 20. Ширина σ импульсов составляет около 0,4 с, в результате чего соотношение ширины импульса и длительности импульса составляет примерно 0,1.

На фиг. 3 проиллюстрирован пример динамической модуляции концентрации кислорода в технологическом газе. Ее осуществляют следующим образом. Немодулированную составляющую технологического газа в виде горячего форсированного газа подают с постоянной исходной концентрацией п_о, что соответствует естественной концентрации кислорода в воздухе (горячий форсированный газ в данном примере состоит из горячего воздуха). Помимо горячего форсированного газа вводят еще две составляющие технологического газа. Периодически вводят первую составляющую, состоящую из чистого кислорода или кислородсодержащей газовой фазы с концентрацией η'ι кислорода, при этом длительность цикла Τ₁ составляет 2 с. Количество чистого кислорода или концентрацию η'ι кислорода выбирают таким образом, что концентрация кислорода относительно всего технологического газа увеличивается на разность п₁. В рассматриваемом случае соотношение щ/щ составляет около 60%. Аналогичным образом, в импульсном режиме вводят дополнительную вторую газовую фазу, при этом пульсация также происходит периодически с такой же длительностью цикла Т₂ = Т₁, но с фазовым сдвигом на φ₁. Эта вторая газовая составляющая, которую с фазовым сдвигом вводят в импульсном режиме, приводит к увеличению концентрации кислорода относительно всего технологического газа по до по+п2, как это показано на фиг.

3. Соотношение п2/по составляет примерно 40%, что означает, что при введении второй газовой фазы в технологический газ добавляется меньше кислорода, чем при введении первой фазы. Как хорошо видно на фиг. 3, вся концентрация η(ί) кислорода в технологическом газе является периодической, при этом длительность цикла Т = Τ1 = Т2, поскольку является результатом наложения двух (или трех, включая по) периодически модулируемых газовых фаз. В примере, показанном на фиг. 3, фазовый сдвиг φ1 составляет около π/2, хотя можно установить его на уровне π, и тогда две дополнительные газовые фазы будут противоположными. В этом случае концентрация кислорода η(ί) станет квазипериодической с длительностью цикла в Т/2. Без фазового сдвига (φι = 0) получаемая концентрация η(ί) кислорода также достижима с помощью одной дополнительно нагнетаемой газовой фазы.

На фиг. 4 показана временная модуляция скорости нагнетания дополнительных восстановителей, которыми в данном примере может являться угольная пыль, скажем, с массовым расходом т/άί. В этом случае на постоянный массовый расход то/άί также накладывается дополнительная импульсная составляющая, вызывающая рост на 30% каждые Т = 20 с, а в противофазном режиме рост на 50% каждые Т = 20 с. Следовательно, общий массовый расход т/άί имеет длительность цикла Т, но является квазипериодическим с τ = Т/2. В данном случае относительно важна ширина σ импульса на уровне около Т/4.

- 6 013386

На фиг. 5 показана одновременная изохронная модуляция массового расхода ш/б1 дополнительного восстановителя и объемного расхода У/б1 кислорода. На массовый расход т/άΐ распространяются условия, подобные описанным выше со ссылкой на фиг. 4, за исключением того, что импульс имеет отличающуюся форму, а длительность Т цикла на фиг. 5 равна 0,6 с. Временная модуляция объемного расхода ν/άΐ кислорода, которая также происходит периодически с длительностью цикла Т, может быть осуществлена, скажем, за счет того, что часть ν_ο/άΐ соответствует объемному расходу естественного кислорода в нагнетаемом горячем форсированном газе и периодически увеличивается за счет дополнительно нагнетаемых импульсов кислорода. Как показано на фиг. 5, дополнительные импульсы кислорода сдвинуты относительно пульсации массового расхода дополнительного восстановителя на время Δΐ = 0,02 с, что соответствует фазовому сдвигу φι = π/15. В результате выбираемого таким способом фазового сдвига растущее количество дополнительного восстановителя, нагнетаемого в зону завихрения, имеет преимущество перед очередным импульсом кислорода и находится в пределах, доступных для преобразования, а запаздывающий импульс кислорода способен обеспечить преобразование дополнительного восстановителя до того, как он покинет зону завихрения. В результате, может быть достигнута стабильно высокая скорость преобразования дополнительного восстановителя одновременно с увеличением скорости нагнетания, что приводит к улучшению сквозного выдувания газа в шахтной печи.

Поясненный с помощью фиг. 1-5 пример динамической модуляции нагнетания технологического газа и других составляющих отражает лишь часть возможных вариантов осуществления динамической модуляции согласно изобретению. Как вытекает из различных примеров, отличительные признаки изобретения, раскрытые в описании и заявленные в формуле изобретения, могут по отдельности или в сочетании служить ключевыми элементами при осуществлении изобретения в его различных вариантах.

Например, допустим, что шахтной печью является доменная печь с внутренним давлением от около 2 до 4 бар. Технологический газ может нагнетаться при постоянном давлении около 10 бар. Для осуществления импульсной модуляции посредством клапана может быть временно подсоединен резервуар с давлением, скажем, 20 бар. При подсоединении резервуара может генерироваться короткий импульс, повышающий давление на 1,5-2,5 бар, то есть на протяжении этого импульса давление технологического газа составляет около 12 бар. Этот импульс создает внутри доменной печи всплеск энергии, в результате чего происходит плавление кокса и шлака в периферийной области зоны реакции и/или образуются отверстия в слое кокса и шлака. Поскольку в результате этого всплеска энергии в слой шлака в зоне реакции нагнетается кислород, это приводит к окислительным реакциям со слоем шлака. Разрыхление шлака позволяет улучшить сквозное выдувание газа по всей доменной печи. Шлакообразование может быть как минимум уменьшено путем добавления в технологический газ мельчайших частиц угля, и в результате реакции в зоне реакции образуется меньше несгоревших составляющих, которые в противном случае осаждаются в шлаке. Действие модуляции на нагнетаемый технологический газ может быть усилено за счет выполнения множества отверстий для нагнетания по окружности и/или вдоль вертикальных стенок доменной печи.

В случае шахтной печи типа вагранки ее конфигурация и эксплуатация преимущественно аналогичны описанной выше доменной печи. Вагранка обычно работает при более низком давлении, скажем, 300 мбар. В этом случае технологический газ может нагнетаться под давлением 5 бар, а давление в соответствующем резервуаре может составлять 12 бар.

Claims (15)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ эксплуатации шахтной печи, при осуществлении которого в верхнюю часть шахтной печи загружают сырье, которое под действием силы тяжести спускается внутрь шахтной печи, и под действием атмосферы, преобладающей в шахтной печи, часть сырья плавится и/или восстанавливается, а в нижнюю часть шахтной печи нагнетают технологический газ, чтобы, по меньшей мере, частично изменить атмосферу, преобладающую в шахтной печи, отличающийся тем, что нагнетание технологического газа квазипериодически модулируют таким образом, что в процессе модуляции технологические параметры - давление р и/или объемный расход V меняются периодически, по меньшей мере, с длительностью цикла <5 с, предпочтительно <1 с.
2. 2. Способ по п.1, в котором модуляцию осуществляют в периодическом и предпочтительно в гармоническом режиме, при этом длительность цикла Т составляет 5 с > Т > 60 мс, в частности 5 с >Т >100 мс, предпочтительно 5 с > Т >0,5 с, наиболее предпочтительно 5 с > Т >0,7 с.
3. 3. Способ по п.1 или 2, в котором модуляцию осуществляют в импульсном режиме, при этом ширина σ импульса составляет 5 с > σ > 1 мс, в частности 0,7 с > σ > 25 мс, предпочтительно 0,1 с > σ > 30 мс и наиболее предпочтительно 55 мс > σ > 35 мс.
4. 4. Способ по одному из пп.1-3, в котором модуляцию осуществляют путем регулирования по меньшей мере одного технологического параметра, в особенности давления р и/или объемного расхода ν.
5. 5. Способ по одному из пп.1-4, в котором технологический газ нагнетают в шахтную печь по меньшей мере через два различных канала, динамически модулируют первый технологический параметр, служащий для регулирования составляющей технологического газа, нагнетаемой через первый канал, и

   - 7 013386 динамически модулируют второй технологический параметр, служащий для регулирования составляющей технологического газа, нагнетаемой через второй канал, первый и второй технологические параметры являются одинаковыми технологическими параметрами, которые модулируют неодинаково, или первый и второй технологические параметры различаются, но их модулируют одинаково.
6. 6. Способ по п.5, в котором первый и второй технологические параметры периодически модулируют с одинаковой длительностью цикла Т, а их взаимные фазы сдвинуты на заданную величину.
7. 7. Способ по одному из пп.2-6, в котором в качестве характеристической собственной частоты генерации частичной системы атмосферы в шахтной печи задают величину Т^-1, обратную длительности цикла.
8. 8. Способ по одному из пп.1-7, в котором технологический газ, по меньшей мере, периодически частично или полностью содержит инертный газ, служащий для охлаждения клапанов, установленных на объемном потоке технологического газа.
9. 9. Способ по одному из пп.1-8, в котором технологический газ модулируют таким образом, чтобы генерировать стационарную волну технологического газа в шахтной печи.
10. 10. Способ по одному из пп.1-9, в котором нагнетание технологического газа регулируют таким образом, чтобы сырье спускалось в шахтную печь равномерно и, в частности, в виде потока вытеснения.
11. 11. Шахтная печь, в частности доменная печь, вагранка или печь для сжигания бытовых отходов, включающая устройство для загрузки сырья в верхнюю часть шахтной печи, систему нагнетания технологического газа в нижнюю часть шахтной печи с устройством управления для регулирования нагнетания технологического газа посредством изменения технологических параметров, при этом такое изменение технологических параметров, по меньшей мере, частично определяет атмосферу, преобладающую в доменной печи, отличающаяся тем, что устройство управления выполнено с возможностью квазипериодического изменения технологических параметров так, что при этом давление р и/или объемный расход V изменяются периодически с длительностью цикла <5, предпочтительно <1 с.
12. 12. Шахтная печь по п.11, отличающаяся тем, что она содержит керамические клапаны, в особенности дисковые или плунжерные клапаны с электромагнитным управлением для изменения технологических параметров.
13. 13. Шахтная печь по п.11 или 12, отличающаяся тем, что система нагнетания технологического газа включает первый и второй трубчатый элемент, при этом часть технологического газа нагнетают через главную линию, через первый трубчатый элемент нагнетают окислитель и через второй трубчатой элемент нагнетают дополнительный восстановитель.
14. 14. Шахтная печь по одному из пп.11-13, отличающаяся тем, что система нагнетания технологического газа включает первый набор клапанов и второй, резервный, набор клапанов, что позволяет чередовать работу первого и второго набора.
15. 15. Шахтная печь по одному из пп.11-14, отличающаяся тем, что система нагнетания технологического газа соединена по меньшей мере с двумя резервуарами динамической нагрузки, которые различаются размером и/или параметрами давления.