мЕТАЛЛУРГИЯ МЕДИ. Металлургия меди
 Скачать 14.69 Mb.
|
| |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Процессы | Удельная производите- льность, т/м2сут | Общие энергозатр. кДж/т меди |
| Электроплавка подсушенной шихты Отражательная плавка: а) сырой шихты б) огарка Взвешенная плавка: а) подогретый воздух (1000 oС) и об. О2 26-28 % б) то же (200 оС и 40-70 % О2) Кислородно-взвешенная плавка (95-99 %О2) Hоранда на дутье: а) холодный воздух б) 30-35 % О2 Мицубиси до 40% О2 на плавке Кислородно-факельная плавка (95 % О2) Плавка в печах Ванюкова (50-75 % О2): а) без сушки шихты б) с сушкой | 3-10 4-6 6-8 7-10 8-12 12,8 10-12 10-12 19 6-12 50-80 - | 28.2 21.5 18.1 17.9 14.2 11.5 24.6 14.3 16.2 15.6 10.9 13.3 |
Из табл.1 следует, что наибольшие значения ТЭП характерны для электроплавки и переработки шихт в отражательных печах, одна ко абсолютная экономия энергоресурсов при замене, например, ОП на КФП составляет практически одинаковую величину. Сопоставимые зна чения энергозатрат получены также и для ОП огарка (18.1 кДж/т ) и ВП по варианту "а" (17.9кДж/т). Процесс Норанда на холодном воз душном дутье имеет даже более высокие энергозатраты (24.6 кДж/т), чем ОП. Поэтому решение проблемы замены отражательной плавки автогенными процессами требует тщательного предварительного технико-экономического обоснования, учитывающего значительные капитальные затраты на строительство комплекса АП, очистных сооружений, сернокислотное производство, существующее финансовое положение предприятий и сроки пуска нового объекта. Вариант полного технического перевооружения медеплавильного производства должен также предполагать сохранение существующей технологической инфроструктуры производства.
По-видимому, данные обстоятельства послужили основанием, что в мировой практике основных производителей меди (Япония, США, Чили, ФРГ и др.) замечена тенденция реконструкции существующих пламенных печей и создания на их основе высокоэффек тивных и производительных агрегатов. Характерной особенностью пе реработки сульфидного сырья в модернизированных агрегатах является частичное ис пользование принципов автогенной плавки и применение кислорода.
Вопрос 2. Характеристика шахтной плавки.
В металлургии меди до конца промышленного освоения флотационного способа обогащения шахтная плавка являлась единственным вариантом плавки медных руд. К несомненными достоинствам процесса следует отнести высокую удельную производительность (45-120 т/(м2*сут), высокий коэффициент использования тепла (до 70%), высокую степень десульфуризации (50-95%) и незначительный расход огнеупоров в связи с применением кессонированных стенок. В зависимости от состава газов в печи различают восстановительную и окислительную шахтную плавку. Восстановительная плавка частично сохраняет свое значение для переработки вторичного медьсодержащего сырья с получением черной меди (Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь», г. Кировград). При этом часть летучих составляющих шихты отгоняется с газами и в последующем извлекается в системе тонкой очистки газов. Среди разновидностей окислительной шахтной плавки (после закрытия в конце 80-х г.г. на медногорском медно-серном комбинате (ММСК) медно-серной плавки) в основном используется полупиритная шахтная плавка.
Использование дутья, обогащенного кислородом, позволило существенно повысить технико-экономические показатели полупиритной плавки и перевести ее в новую категорию - автогенных шахтных процессов (АШП). Основанием для разработки нового процесса послужил выбор оптимального варианта реконструкции ММСК, перерабатывающего пиритные руды Южного Урала, запасы которых были практически исчерпаны. В этой связи возникла необходимость поиска эффективного способа плавки сульфидных концентратов, вторичного медьсодержащего сырья, клинкера и пр. медьсодержащих материалов в шахтных печах с последующей утилизацией газов в сернокислотном производстве.
Вопрос.3. Схема процессса АШП
Состоит из шахтной печи с поперечным сечением в области фурм 1.0 м2 и системы пылеулавливания, включающей осадительную камеру, электрофильтр и конденсатор серы (рис. 5.1). Печь высотой от лещади до колошника 6.7 м имела футерованный внутренний горн с сифонным выпуском расплава в наружный горн-отстойник емкостью 4.9 м3. Нижняя часть печи (3.0 м) кессонирована, верхняя (4.5 м) - футерована шамотным и теплоизоляционным кирпичом. Герметичность загрузки достигалась использованием двухконусного загрузочного аппарата. Два ряда фурм обеспечивали подачу дутья, один из которых (верхний), установленный на высоте 0.6 м от нижнего, предназначался для ввода природного газа в восстановительную зону печи с целью восстановления сернистого ангидрида. Сопоставимый анализ технико-экономических показателей различных вариантов плавки приведен в табл. 2.
Таблица 2
Сравнительные показатели различных видов шахтной плавки
| Показатели | Возуш ное дутье | Дутье, обогащенное кислородом | |||
| Автогенная плавка на штейн | Плавка с восстановлением SO2 | ||||
| бедный | богатый | коксом | пр. газом | ||
| Содержание кислорода, %, об Расход кокса к массе руды, % Расход природного газа, м3/т Удельный проплав, т/(м2 ∙сут): руды………………….. шихты………………… Содержание меди, %: в руде………………… в штейне……………... в шлаке………………. Содержание серы в руде, %... Степень десульфуризации, % Извлечение элементной серы, % Состав отходящих газов, %, об: SO2…………………….. H2S……………………. COS…………………… CO2……………………. CO……………………... O2……………………… | 21 10.1 0 38.2 48.5 3.0 11.0 - 40.6 70.4 48.8 2.7 1.1 0.8 - - - | 30 0 0 43.6 70.5 1.9 16.3 - 46.1 90.5 41.7 23.3 0.1 0.2 4.6 0.2 1.9 | 31.3 0 0 46.4 71.1 2.1 37.6 - 49.2 94.1 42.0 22.4 0.2 0.1 5.5 0.2 1.9 | 28 10 0 42.0 63.9 2.0 27.4 - 45.3 92.6 65.9 8.9 0.3 2.2 13.3 1.8 1.8 | 30 0 64 45.3 69.5 2.32 30.1 0.35 47.6 92.8 57.7 11.6 1.3 1.4 9.5 1.6 2.0 |
Из данных табл. 2. следует, что на дутье, обогащенном кислородом, возможна автогенная бескоксовая плавка при степени десульфуризации 94.1% и получении богатых штейнов (37.6% Cu). В автогенном режиме извлечение элементной серы снижается с 49 до 42% при увеличении концентрации SO2 в газах с 2.7 до 22%. В ходе внутришахтного восстановления извлечение элементной серы повышается с 49 до 58-66%, концентрация SO2 снижается до 8-10%. На основе длительных промышленных испытаний авторы работы формулируют вывод о возможности плавки высокосернистой руды на дутье, обогащенном кислородом до 28-32%, при содержании меди в штейне 20-30% и в шлаке - 0.25-0.35%. Во всех режимах плавки образуются отходящие газы, пригодные для производства серной кислоты, удельный проплав по сравнению с воздушным дутье повышается на 10-20%.
После ввода в эксплуатацию на ММСК (1986 г.) кислородной станции производительностью 5300 м3/ч основную часть сульфидного сырья перерабатывали в печах бывшей сократительной плавки (1987 г.) на обогащенном кислороде дутье методом АШП по технологической схеме (рис.1); технико-экономические результаты для переработки различных видов сырья приведены в табл. 3.
Рис. 1. Схема технологии по АШП
Таблица 3
Технико-экономические показатели АШП различных видов сырья
| Показатели | Кусковая руда | Брикеты | ||||
| медная | медно- цинковая | серно- колчеданная | Из медных концентратов | Из медно- цинковых концентратов | Из медно- цинко вого пром-продукта | |
| Содержание в руде (брикетах), %: Cu………… Zn………… S………….. О2 в дутье, % об в штейне, %: Cu………… Zn………… в шлаке: Cu………… Zn………… Степень десульсуль фуризации, %. Извлечение элемент. S, % То же при восст. палавке, % Конц-ция SO2 в отх. газах, % То же при восст. палавке, % Удельный проплав, т/(м2·сут): руды (брикетов)… шихты…………… | 2.3 1.4 47.6 30.0 30.1 1.2 0.33 1.31 92.8 40-42 57-65 22-24 8-12 43-45 68-70 | 3.6 7.0 43.7 32.0 24.0 3.5 0.28 5.5 88.0 40-42 - 23-25 - 57-59 82-84 | 0.59 - 50.3 32.0 8.4 - 0.1-0.2 - 95.0 43-45 - 22-24 - 58-62 85-88 | 14.4 4.4 39.0 25.0 49.8 2.8 0.41 4.2 76.3 25-30 - 14-15 - 50-52 73-75 | 7.2 13.2 37.5 32.5 45.8 5.4 0.52 9.3 86.9 25-30 - 17-21 - 59-61 92-94 | 12.0 10.3 36.4 36.0 46.6 5.1 0.55 7.50 80.3 25-30 - 20-25 - 60-62 97-100 |
Показано, что благодаря высокой степени сокращения при АШП возможно получение штейнов, пригодных для конвертирования в одну стадию (20-30% Cu), вместо двухстадийного на воздушном дутье. Содержание SO2 при внутрипечном восстановлении и без него составляет 8-12 и 22-24%, соответственно. Отвальные шлаки содержат незначительное количество магнетита (менее 3-5%), что объясняется специфичными условиями окисления сульфидов в шахтной печи на кварце, когда постоянный контакт с SiO2 предотвращает возможность переокисления Fe2+ до Fe3+.
При брикетировании шихты был учтен опыт работы заводов «Легница» и «Глогув 1» ( Польша), а также Мансфельдского комбината (Германия), применявших валковые прессы высокого давления и сульфит-целлюлозный щелок в качестве связующего. Брикетирование мелкой шихты проводили также с использованием гидросиликатной технологии. Внедрение АШП на ММСК позволило осуществлять плавку 85-90 % первичного сульфидного сырья в сократительных печах, предназначенных для переработки твердого штейна.
В среднем состав шихты плавки был следующий, % масс.: брикеты из мелкой руды, концентратов и клинкера 54.5; кусковая руда 25.3; штейн от плавки брикетированного клинкера, кусковой руды и рядовых брикетов, полученный в печах рудного передела на воздушном дутье 13.5; окатыши из концентратов 6.7 .
В 2002 г. на ОАО ММСК проведена замена кокса доменного класса брикетированной мелкой фракцией нефтекокса и крупнокусковым нефтекоксом. В результате удельный расход топлива уменьшился с 33.4 до 29.6 кг нефтекокса на т шихты. Итоги производственной деятельности комбината при частичной замене кокса крупным нефтекоксом и брикетированной мелочью в 2002 г., а также состав газовой фазы приведены в табл. 4.
Таблица 4
Показатели работы передела АШП
| Показатели | Период | |
| Работа на коксе (2001 г.) | Частичная замена кокса (2002 г.) | |
| Проплав шихты на печах, т Расход топлива, т в т.ч. кокс крупный нефтекокс брикеты нефтекокса Состав газов, %: О2. СО СО2. СOS SO2 | 470934 15734 15734 - - 7.9 1.3 11.2 0.5 7.6 | 482416 14266 4904 6648 2714 8.81 1.56 12.42 0.18 9.62 |
Из данных табл. 4. следует, что частичная замена топлива нефтекоксом не оказала заметного влияния на состав отходящих газов, хотя сопровождается снижением общего расхода топлива на плавку и некоторым увеличением производительности процесса. Брикеты мелкой фракции нефтекокса имели влажность 5-6.5%, прочность на сбрасывание после часовой выдержки 20 раз (при норме 10) и прочность на раздавливание 25-30 кг/см2 (при норме 20 кг/см2)
Химический состав штейна и шлака (% масс.) сохранился на уровне 2001-ного года: штейн - 29.6 Cu, 44.2 Fe, 24.9 S, шлак - 0.34 Cu, 35.9 Fe, 31.5 SiO2, 7.7 CaO. Температура отходящих газов и штейнового расплава составляла 400-680 и 1150оС, соответственно. Объем дутья и количество кислорода, а также цветность серной кислоты не изменилась. Годовой экономический эффект в 2002 году составил более 6 млн. руб. [ 8].
Шахтная плавка в настоящее время используются на трех уральских предприятиях (ОАО «Медногорский медно-серный комбинат»; ЗАО «Карабашмедь»; Производство полиметаллов ОАО «Уралэлектромедь» г. Кировград), где перерабатывают разнообразное по характеру комплексное сырье (состав частично приведен в табл. 5.1, 5.4, 5.5). В связи с ограниченностью поставок рудного сырья в шихту плавок входит также вторичное медьсодержащее сырье и основным продуктом, получаемым в шахтных печах, является медный штейн (состав - в табл. 2.1).
Несмотря на наличие кислородных станций, в существующем варианте шахтная плавка не является автогенным процессом, осуществляется в режиме, близком к полупиритной плавке и сопровождается сравнительно высоким расходом углеродсодержащего топлива (кокс, нефтекокс, клинкер). Причиной этого являются низкая механическая стойкость брикетов, невозможность увеличения содержания кислорода в дутье (т.к. в этом случае возрастает тепловая нагрузка на кессоны), недоработанность схемы утилизации тепла отходящих газов. Система загрузки и пылеулавливания не герметична и с учетом значительных подсосов отходящие газы разубоживаются и характеризуются более низкой концентрацией SO2 (7-9% об), чем в атмосфере печи. Не постоянный гранулометрический состав шихты приводит к возрастанию пылевыноса и появлению продувов, что вызывает необходимость сокращать расход дутья и уменьшать производительность.
Вместе с тем АШП в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к современным процессам (высокая производительность, комплексность использования сырья, минимальный расход топливно-энергетических ресурсов, возможность оперативного управления режимами плавки и обеспечение охраны окружающей среды).
Необходимо отметить, что аппаратурную основу АШП составляет наиболее совершенный в теплотехническом отношении агрегат с многолетним опытом эксплуатации. Характеристика печей и технико-экономические показатели плавки уральских предприятий приведены в таблице 5
| Показатели | Предприятия | ||
| ЗАО «Карабашмедь» | ППМ ОАО«Уралэлеткромедь» | ОАО ММСК» | |
| Высота печи от фундамента, м. Высота печи от фундамента до колошника, м Длина печи, м. Площадь сечения в области фурм, м2 Уд. производительность по шихте, т/(м2сут) Объем переднего горна, м3 Количество фурм, шт. Количество кессонов, шт. Расход дутья, тыс. м3/ч Содержание O2 в дутье, % об. Давление дутья, МПа . Температура дутья, оС Температура отходящих газов, оС Расход топлива, кг/т шихты: кокс нефтекокс Состав шихты, %: смесь медесодержащая отходы вторцветмета оборотный шлак известняк кварцит Уровень загрузки печи, м Степень десульфуризации , % Степень сокращения Извлечение меди в штейн, % Система очистки газов Пылевынос, % от массы шихты: в циклон (грубые пыли) в УРФ(возгоны) Содержание SO2 в отх. газах, % об. | 13.5; 3.5;13.5 6.0; 6.0;6.0 11.4; .64;11.4 15.0; 3.0;15.5 37-45 110; 90; 75 73; 61;72 76; 72;76 20.0-35.0 до 27.0 0.015-0.025 300-400 250-450 89-100 - 50-62 5-10 21-25 7-10 10-15 1.5-2.5 65 3.3-5.0 90.0 циклоны; уст. мокрой очистки «Болиден»; труба | 13.5 5.6 6.065 8.35 50-65 15 26 60 30-35 - 0.015-0.025 300-400 400-800 47-50 38-40 47 10 31 7 5 2.0-2.5 - 3-3.5 95.0 циклон; рукавные фильтры; труба 6.0 4.0 0.1 | 9.4 8.0 10 12.0 58-67 15 21 73 14-151) до 33 0.018 до 50 400-680 10.16 19.4 37.5-38.5 - 37.5-38.5 5-7.8 15-20 2.0-2.5 65-70 4-5 91-93 пыл. камеры: циклоны; электроф. труба 1-2 - - до 6.5 |
Лекция 13. Модернизация пламенных печей.
Вопрос 1. Характеристика современного состояния
К традиционным способам переработки сульфидного медьсодержащего сырья относится отражательная плавка (ОП). В отечественной цветной металлургии доля меди, полученной за последние 10-15 лет с ис пользованием ОП, составила около 40%, а за рубежом - около 20%. В связи с развитием новых автогенных процессов значение ОП в общей технологии медеплавильного производства постоянно снижается. Если к началу 80-х годов в мире насчитывалось приблизительно 100 отражательных печей, то к середине 90-х годов их число уменьшилось до 30. В настоящее время за рубежом осталось около 20 действующих агрегатов, среди них: США (Уайт-Пан), ЮАР (Палабора), Япония (Наосима, Онахама), Канада (Гаспе, Флин-Флон), Златна (Румыния), Иран (Сар-Чесмех), Замбия (Муфулира), Ля-Оройя, Ило (Перу), Кананеа (Мексика) и др., часть из которых планируется к закрытию или реконструкции [22-31].
Технология ОП на уральских заво дах применяется только на ОАО «Святогор», Технико-экономические показатели отражательной плавки некоторых заводов представлены в табл.1.
Современная ОП в состоянии обеспечить переработку сырья в значительных объемах: от 1550 (ОАО «Святогор», огарок) до 2133 т/сут (Морен си, концентрат). Рядовые штейны содержат 25-40%Сu, шлаки - 0.4-0.6%Cu. Концентрация SO2 в отходящих газах составляет, % об. : при плавке огарка 0.5-1.0, медных концентратов - 1.5-2.5. Удельная производительность изменяется от 2.5 до 8.7 т/(м2*сут) (ОАО «Свято гор»).
Классический вариант отражательной плавки отличается универсальностью и предназначен для любого типа сульфидных и карбонатных руд, обожженных и необожженных мелкодисперсных флотационных концентратов. В печи с достаточно высоким коэффициентом извлечения меди перерабатывают также конвертерные шлаки, оборотные пыли и цементную медь. Влажность шихты перед плавкой доводится до 4-8%. В качестве топлива используют природный газ, мазут, уголь (угольную мелочь).
Штейн содержит обычно 20-45% меди, шлак – 0.4-0.6% (табл 2.1, 2.2). Штейн конвертируют, шлак направляют в отвал, отходящие газы очищают от пыли и выбрасывают после нейтрализации в атмосферу.
В результате механического уноса тонких частиц шихты печными газами и испарения легколетучих компонентов шихты и продуктов плавки пылевынос составляет 1.3-3.5% от массы шихты. Если не принимать мер к специальной очистке газов, то по данным П.С. Кусакина и П.А. Паздникова 47% пыли осаждается в боровах, а остальная пыль выносится в дымовую трубу.
Запыленность газов ОП зависит от разновидности плавки. При плавке сырой шихты она составляет 7-10 г/м3, а при плавке огарка - 15-30 г/м3. Грубая пыль представляет собой мелкую фракцию загружаемой в печь шихты со средним размером частиц 4.4 мкм, она преимущественно осаждается в газоходах. Медь в ней представлена включениями штейна, куприта, халькозина, металла, незначительное ее количество находится в форме ковеллина и халькопирита. Цинк присутствует в виде силиката и сульфата, железо - в виде магнетита и, частично, силиката. Распределение цветных и редких металлов при плавке сырых концентратов (по данным А.Т. Дробченко) приведено в табл. 5.14.
Таблица 1
Распределение металлов по продуктам ОП сырых концентратов, %
| Продукты | Металлы | |||||
| Zn | Pb | Cd | Se | Te | In | |
| Штейн | 45.5 | 30.0 | 46.8 | 72.0 | 67.6 | 63.1 |
| Шлак | 49.0 | 59.6 | 33.4 | 10.6 | 14.8 | 16.3 |
| Пыль и газы | 5.5 | 10.4 | 19.8 | 17.4 | 17.6 | 20.6 |
Чем выше степень десульфуризации при обжиге и богаче образующиеся штейны, тем больше цинка переходит в шлак (до 70%) и тем значительнее меняется распределение редких металлов (табл. 5.15).
Таблица 2
Распределение редких металлов при ОП огарка [76]
| Продукты | Металлы | |||||
| Сd | In | Ge | Tl | Se | Te | |
| Штейн | 18 | 12 | 16 | 31 | 68 | 33 |
| Шлак | 35 | 79 | 83 | 62 | 12 | 21 |
| Пыль | 47 | 9 | 1 | 7 | 14 | 46 |
С печными газами в основном выносится тонкодисперсная пыль со средним размером частиц около 1.5 мкм и количество такой пыли составляет 47-92% от всего пылеуноса. Например, пыль из трубы Кировградского ППМ имеет состав, % масс. : 3.66 Cu, 30.45 Zn, 5.41 Pb, 1.16 Sn, 11.18 S, 0.015 Ni, 0.015 Sb, 13 As, 0.06 Bi, 0.14 Cd, 0.01Co, 0.01-0.015 Ge; г/т : 5.2 Au, 106.5 Ag.
Переработка тонких пылей должна включать предварительную пирометаллургическую обработку с целью получения окисленных возгонов с повышенным содержанием редких металлов. Вельцевание такой пыли с добавкой коксовой мелочи (расход от шихты 40-50%) при температуре 1050-1250оС позволяет достичь извлечения меди и благородных металлов 98%. Химический состав образующихся возгонов следующий, %: 35-45 Zn; 18-28 Pв; 1.5-3.0 Sn; 8-15 As; 0.05-0.07 Bi; 0.5-1.5 Fe; 0.5-1.5 Cu; 0.03-0.1Ge; 0.02-0.06 In;0.05-0.07 Tl; 0.7-0.8 Cd. Извлечение металлов в возгоны составляет, % : 97-99 Zn, 90-95 Pb, 96-99 Cd, 97-99 Tl, до 85 Sn; 90-95 In [32]. При производстве серной кислоты из отходящих газов ОП редкие металлы могут быть извлечены из промывной кислоты и шламов.
Вопрос 2. Пути совершенствования ОП и ее перспективы
Основными недостатками ОП являются:
- cравнительно низкая удельная производительность (2.0-4.8 для сырой и 3.0-8.7 т/(м2*сут) для обожженной шихты);
- невысокий коэффициент использования топлива (30-35%) и, как следствие, высокий его расход (% от массы шихты: при плавке сырой шихты 18-22, при плавке огарка 14-16);
- невозможность регулирования процесса десульфуризации (D) и, сле довательно, состава штейна (при плавке огарка с внутрипечным обеднением конвертерного шлака D составляет 15-20%, тогда как в аналогичных условиях при плавке сырых концентратов D достигает 40-50%);
- образование бедных серусодержащих газов и их выброс в атмосферу;
- высокий расход огнеупоров.
Заметный прогресс в совершенствование ОП был достигнут в связи с переводом печей на отопление природным газом с использованием воздуха, обогащенного кислородом. В частности, применение дутья, обогащенного кислородом до 27-30% об., позволило при плавке огарка повысить производительность печей на 28-33% и снизить расход топлива почти на 22 % [32].
Новые возможности интенсификации теплообмена в пламенных печах были реализованы за счет рассредоточенной подачи кислорода и установки сводовых газокислородных горелок (комбинированное торцово-сводовое отопление). В сравнении с чисто воздушным дутьем при рассредоточенной подаче кислорода и концентрации его в дутье 40% удельный проплав возрос от 4.5 до 6.7 т/(м2*сут), расход условного топлива уменьшился от 210 до 116 кг на тонну шихты, а концентрация SО2 в отходящих газах повышена от 2.5-2.8 до 7.8-8.2 % об. Для кампании печей важно, что данные результаты получены при одновременном уменьшении температуры в фокусе печи почти на 100ОС [32]. Использование торцово-сводовых горелок при тепловой сводовой нагрузке 20% и общей величине обогащения дутья кислородом 30% позволяет получить максимальный проплав шихты (6.70-6.85 т/(м2*сут)), наиболее высокий термический КПД печи (40%) и уменьшить расход условного топлива до 146 кг/т [42].
Применение нагрева дутья (с использованием тепла отходящих газов или индивидуально отопливаемых нагревателей) до 400-450оС позволяет заметно увеличить проплав и уменьшить расход топлива в ОП. Однако, на отечественных заводах такой подогрев (табл. 5.1) не используется, ограничиваются более низкой температурой дутья, позволяющей повысить проплав на 15% и уменьшить расход топлива на 7.8% [ 33].
Дальнейшее совершенствование тепловой работы пламенных печей, отапливаемых газом, развивается за счет поиска рациональных пределов форсирования тепловых и технологических нагрузок агрегата и снижения удельного расхода топлива. При этом задача оптимизации сводилась к определению режимов сжигания природного газа, обспечивающих, с одной стороны, повышение производительности и экономичности работы печи, а с другой - увеличение стойкости футеровки и равномерности проплава по длине рабочей зоны и снижение пылевыноса. Для ее решения были разработаны многозональные модели теплообмена [33, 40], позволяющие оценивать интегральные и локальные характеристики теплообмена с учетом конструкции и тепловых режимов печи. Основными практическими выводами следующими из результатов моделирования явились:
- показана целесообразность использования сравнительно коротких факелов ( не более 1/3 длины рабочего пространства печи);
- с ростом подогрева дутья ( до 700оС) и обогащении воздуха кислородом ( до 40%) наблюдается рост теплопоглощения откосами и теплового КПД плавки ( с 30 до 63 %);
-для реальных условий работы печи с учетом ограничений по пылевыносу (скорость газов W< 7 м/с) и максимальной температуры кладки( t< 1650оС) оптимальный тепловой режим соответствует температуре дутья 360 оС и концентрации кислорода 22.3 %.
В этой связи установка на действующих ОП водоохлаждаемых кессонов в наиболее теплонапряженных участках, позволит снизить экстремальное воздействие температуры. Данное мероприятие является резервом в дополнительном увеличении производительности за счет более глубокого обогащения дутья кислородом и повышения тепловой мощности печи. В этом случае также создаются предпосылки для роста содержание SO2 в отходящих газах. Определенный опыт в этом отношении накоплен СКБ ЦМ Гинцветмета, который еще в 1970 г на КУМКе ( г. Красноуральск) осваивал работу заложенных в боковые стены печи кессонов, охлаждаемых взрывобезопасным теплоносителем ( пароводяная смесь) [38]. Конструкция кессонов одновременно состояла из цельнонатянутых труб и набивной огнеупорной массы с установленными в них топками. Кессоны успешно себя зарекомендовали в ходе длительной эксплуатации на опытной печи ПВ РОЭМЗ, а топки использовались на фьюминг-печах завода «Рязцветмет» и Чимкентском свинцовом заводе [43]. Известны и другие конструктивные варианты кессонов с целью повышения стойкости футеровки стен печей [44].
Исходя из требуемого теплопоглощения откосами шихты были разработаны номограммы (рис. 5.15), позволяющие при упомянутых выше ограничениях, выбирать тепловую нагрузку, расход кислорода, температуру дутья, обеспечивающих максимальный удельный проплав. Аналогичные диаграммы полезны для экономической оптимизации тепловой работы печей с учетом цен на природный газ, кислород, затрат на подогрев дутья.
В результате моделирования рекомендовано рациональное распределение тепловой нагрузки между сводовыми горелками по длине печи. Показано, что применение комбинированного отопления с увеличенной подачей теплоты во вторую половину плавильного пространства, позволяет выровнять температуру кладки по длине рабочей зоны и дополнительно форсировать работу агрегата с ростом производительности на 12 %.
Общим результатом, применения кислорода при ОП в различных вариантах его подачи в печь на отечественных и зарубежных предприятиях является увеличение концентрации SO2 в атмосфере печей, за счет сокращения балластного азота. Однако в результате многократного разубоживания газов, концентрация сернистого ангидрида в товарной точке была недостаточной (2%) для организации сернокислотного производства. Это обстоятельство послужило основанием для поиска других вариантов интенсификации и модернизации ОП и одновременно разработкой в химической технологии более дешевых способов утилизации бедных серусодержащих газов в сернокислотном производстве.