Оценка тепловой работы печей плавки в жидкой ванне и печей взвешенной плавки с точки зрения их конструктивных особенностей

В различных работах, посвящённых переработке техногенного сырья [1–4], было показано, что переработка низкоавтогенного сырья приводит к существенному изменению теплового режима работы печей. Для нормализации теплового баланса требуется получение более богатых штейнов, сжигание повышенного количества топлива и работа на более высоком обогащении дутья, что создаёт трудности в управлении технологическим процессом, более выраженные при плавке во взвешенном состоянии, нежели в печах Ванюкова [5]. Очевидно, что эти различия – 201 –

Рис. 1. Схема кессонов ПВП

Рис. 2. Эскиз ПВ

Fig. 1. FSF cooling elements layout

Fig. 2. VF schematic drawing

определяются тепловой работой обоих агрегатов, а именно дефицитом тепла, возникающим в процессе плавки. Это, в свою очередь, с большой долей вероятности определяется конструктивными различиями обоих агрегатов [6–9]. На рис. 1 и 2 представлены схемы обоих агрегатов.

Современные автогенные агрегаты отличаются широким применением кессонированных поверхностей [10–14]. Так, печи ПВП имеют кессонированные стены и свод отстойника, реакционной шахты, свод аптейка и его примыкание к котлу-утилизатору. Печи ПВП также имеют принудительное воздушное охлаждение подины печи и существенные потери тепла в виде лучистой энергии через отверстие примыкания аптейка к радиационной зоне котла-утилизатора. Печи Ванюкова имеют кессонированные, трехъярусные стены шахты агрегата. Свод ПВ распорноподвесной, подина принудительного охлаждения не имеет.

С целью определения особенностей эксплуатации обоих агрегатов при переработке автогенного сырья представляется необходимым провести расчёты тепловых балансов процессов на одинаковых составах низкоавтогенного сырья, с учётом всех статей расхода тепла в процессе, полученных при реальных измерениях на промышленных агрегатах. Таким сравнительным расчетам посвящена данная работа.

В рамках определения причин настылеобразования в печах взвешенной плавки в 2017 году на НМЗ были проведены работы по прямому измерению теплопотерь модернизированных печей взвешенной плавки [15]. Были собраны исходные данные, необходимые для составления теплового баланса ПВП.

В ходе проведения испытаний были собраны следующие исходные данные для ПВП НМЗ:

• 1.    Расход и состав шихты, расход природного газа, технического кислорода, азота; объём и состав перерабатываемой пыли и проч.

• 2.    Характеристики системы водяного охлаждения печей (расход воды на охлаждение, увеличение температуры охлаждающей воды в результате теплосъёма с печей).

• 3.    Температура внешних поверхностей реакционной шахты, отстойника и аптейка.

• 4.    Объём, температура, запылённость и состав отходящих газов печей.

• 5.    Количество и температура шлака и штейна на выходе из ПВП.

Полученные в ходе проведения испытаний исходные данные позволили оценить тепловой баланс ПВП НМЗ, перерабатывающих текущий поток сырья.

Для проведения тепловых расчётов в ходе обследования ПВ: оценки количества тепла, выделяющегося при сжигании углеводородного топлива, окислении шихты, а также для оценки теплосодержания исходных веществ и продуктов плавки, использован термодинамический программный комплекс FactSage версии 7.3 [16]. Тот же комплекс использован и в настоящей работе для сравнения теплового баланса печи Ванюкова и печи взвешенной плавки.

Для моделирования пирометаллургических агрегатов преимущественно используется модуль FactSage Equilib, осуществляющий расчёт сложных химических равновесий методом минимизации энергии Гиббса:

^ = ^J ni(9i + RT \n Pf) + У ЩЭ? + ид.газ                         чистые конд. фазы

где n_i – число молей; P_i – парциальное давление газа; X_i – мольная доля; γ_i – коэффициент активности; g i ⁰ – стандартная молярная энергия Гиббса.

Программа находит такое сочетание параметров ni, Pi, Xi системы, при котором общая энергия Гиббса G (1) минимальна. В ходе расчёта пользователем поэтапно задаются количество и тип исходных реагентов, назначаются возможные чистые вещества и растворы в системе и выбираются значения констант – температуры, давления. Расчёты могут быть выполнены с большой гибкостью – так, можно вводить исходные данные в различных единицах измерения, оценивать метастабильные фазы при расчёте равновесия, изменять стандартные состояния компонентов и т.п.

Исходные данные для оценки количества тепла, выводимого из ПВП и ПВ с продуктами плавки.

Потери тепла печью складываются из следующих статей теплового баланса:

• 1.    Потери тепла с продуктами плавки (штейн, шлак, пыль, отходящие газы);

• 2.    Потери тепла с поверхности печей (борта печи, своды, отстойника и аптейка, подина печи);

• 3.    Тепло, отводимое системой водяного охлаждения;

• 4.    Потери тепла на эндотермические реакции, протекающие в процессе плавки. Эти потери тепла учтены при оценке количества тепла, вводимого при ведении автогенного процесса.

Тепловые потери для обоих типов печей рассчитываются вне алгоритмов химической термодинамики, исходя из данных о конструкции. Для печи Ванюкова используются следующие исходные данные:

• –    удельный тепловой поток на одну работающую фурму 200 Мкал/м²·ч, огневая поверхность фурмы 0,34 м²;

• –    удельный тепловой поток на основные кессоны шахты, омываемые расплавом (кессоны первого и второго ряда) 80 Мкал/м²·ч;

• –    удельный тепловой поток на кессоны третьего ряда 30 Мкал/м²·ч;

• –    удельный тепловой поток на кессоны торцевых стен 80 Мкал/м²*ч;

• –    удельный тепловой поток через кладку горна печи 0,4 Мкал/м²·ч;

• –    удельный тепловой поток через кладку шахты печи 0,6 Мкал/м²·ч;

• –    удельный тепловой поток через свод 0,6 Мкал/м²·ч;

• –    удельный тепловой поток через подину 0,1 Мкал/м²·ч.

Для печи взвешенной плавки использованы результаты расчёта фактического теплового баланса печей ПВП НМЗ, выполненного в 2017 году [6]. Потери тепла приняты равными 75000 МДж/ч.

При расчёте ПВП принято, что в горелки отстойника подаётся 2800 нм3/ч природного газа, сжигаемого КВС с 28 % кислорода. В настоящей работе по результатам пробных расчётов задано, что тепло сгорания этой части газа усваивается расплавом не более чем на 55 % абс, остальное теряется с отходящим газом. Остальной газ – горелки распылителя и свода реакционной шахты – условно сжигается более эффективно и более богатым КВС (80 % кислорода в КВС, а также кислород «копья» распылителя).

При расчёте ПВП принято, что в горелки отстойника подаётся 2800 нм3/ч природного газа, сжигаемого КВС с 28 % кислорода. Степень усвоения этого тепла расплавом может быть принята, в частности, по аналогии с печами Ромелт, где тепло верхнего ряда фурм усваивается не более чем на ~75 % [17]. В настоящей работе по результатам пробных расчётов задана степень усвоения тепла горелок отстойника 55 %, остальное теряется с отходящим га-

Таблица 1. Тепловой баланс печи взвешенной плавки (низкоэнергетическая шихта, номинальная загрузка по шихте ПВП – 120 т/ч)

Table 1. Flash smelting furnace heat balance (low-heat blend, nominal FSF blend feed rate 120 t/h)

Приход тепла	Мкал/ч	%	Расход тепла	Мкал/ч	%
Руда Маяк	18.49	0.020	Штейн	10 304.33	11.08
Медный концентрат ТОФ	213.81	0.230	Шлак	29 581.47	31.82
Медный концентрат НОФ	84.17	0.091	Газ	35 179.60	37.84
Обороты бедные ПЦ	28.75	0.031	Теплопотери	17 913.44	19.27
Медный концентрат ФНШ НМЗ	9.04	0.010
Штейн ПВ медный	19.16	0.021
Концентрат отстойников МЗ	31.64	0.034
Cu цементная	2.89	0.003
Cu кек NNH	9.04	0.010
Песок	86.35	0.093
Вода общая	3.48	0.004
Физ. тепло природного газа	52.32	0.056
КВС	337.11	0.363
Тепло горелок отстойника	22 848	24.573
Прочее тепло сж. пр. газа	16 512.0	17.759
Тепловой эффект процессов	52 722.6	56.704
Всего	92 978.8		Всего	92 978.8

Таблица. 2. Тепловой баланс печи Ванюкова (низкоэнергетическая шихта, номинальная загрузка по шихте ПВ – 120 т/ч)

Table 2. Vanyukov furnace heat balance (low-heat blend, nominal VF blend feed rate 120 t/h)

Приход тепла Мкал/ч % Расход тепла Мкал/ч % Медный концентрат ФНШ НМЗ 9.0 0.01 Газ. фаза 19055.33 26.08 Медный концентрат ТОФ 213.8 0.29 Штейн 10838.62 14.83 Руда Маяк 18.5 0.03 Шлак 28937.72 39.60 Медный концентрат НОФ 84.2 0.12 Прочие (невязка составов) 1998.64 2.74 Обороты бедные ПЦ 28.7 0.04 Теплопотери 12239.56 16.75 Штейн КГМК 19.2 0.03 Концентрат отстойников МЗ 31.6 0.04 Cu цементная КГМК 2.9 0.00 Cu кек NNH 9.0 0.01 Песок 86.4 0.12 Физ. тепло природного газа 28.9 0.04 КВС 184.7 0.25 Вода общая 3.5 0.00 Тепло сжигания пр. газа 21725.4 29.73 Тепловой эффект процессов 50624.0 69.28 Всего 73069.9 73069.86 зом. Остальной газ – горелки распылителя и свода реакционной шахты – условно сжигается более эффективно и более богатым КВС (80 % кислорода в КВС, а также кислород «копья» распылителя).

Расчёт для обеих печей медного сырья выполнен для сухой (0,1 % влаги) шихты, на медный штейн с содержанием 12 % Fe. Результаты расчётов показаны в табл. 1 и 2. Некоторая незначительная разница в составе и выходе шлака и штейна обусловлена несколько отличающимися термодинамическими моделями ПВ и ПВП (изначально оптимизированы для штейнов разного состава).

Как видно из результатов расчётов (табл. 1 и 2), при переработке 120 тонн низкоэнерге-тичной шихты в час удельный расход газа на тонну шихты для ПВ составляет 22,2 нм3, для ПВП – 40,2 нм3.

Таким образом, из проведенных расчётов видно, что при относительно низкой производительности двух сравниваемых агрегатов дефицит тепла (в расчете это то тепло, которое компенсируется сжиганием природного газа) при плавке во взвешенном состоянии низкоэнергетической медной шихты составляет более 42 %. Этот же дефицит тепла при плавке в печах жидкой ванны (в данном случае ПВ) по сравнению с печами взвешенной плавки меньше на ≈12,5 %, абсолютное значение количества тепла, требующего компенсации, составляет 29,7 %.

Выводы

Таким образом, на основании проведенных расчетов с использованием исходных данных, полученных на реальных промышленных агрегатах, а также на укрупненных полупромыш-– 205 – ленных установках, можно однозначно сделать вывод о преимуществе печи Ванюкова как теплогенерирующего агрегата по сравнению с печами взвешенной плавки.

Это объясняется конструктивными различиями печей в плане подачи дополнительного количества топлива для компенсации дефицита тепла при переработке низкоавтогенного сырья и существенно большим количеством отводимого тепла в единицу времени.

Подача и горение топлива непосредственно в расплав, как это реализовано в печах ПВ, существенно эффективнее в части передачи тепла, нежели при горении топлива в газовой фазе с передачей тепла расплаву лучистой энергией от «прозрачного» газового факела, как это реализовано в печах взвешенной плавки.

Преимущества выражаются в количестве дополнительного тепла связанного с подачей топлива, разница составляет до 16 % абс, или до 30000 Мкал/ч при плавке медного сырья.