Кислородной конверсии природного газа

РАСЧЕТ ПРОЦЕССА МЕТАЛЛИЗАЦИИ ОКАТЫШЕЙ

В ШАХТНОЙ ПЕЧИ С ПРИМЕНЕНИЕМ

КИСЛОРОДНОЙ КОНВЕРСИИ ПРИРОДНОГО ГАЗА

Технологическая схема процесса металлизации приведена на рис. 4.43.

Исходные данные. Состав конвертированного газа (см. 3.21),%; 2,1 С02; 31,2 СО; 53,2H2; 0,4СН4;1,5N2;11,6Н20.

Рис. 4.43. Технологическая схема процесса металлизации с применением кислородной конверсии природного газа

Химический состав обожженных окатышей из Лебединского концентрата, %: 67,2 Feобщ; 94,9 Fe₂О₃; 1,0 FeO; 4,1 пустая порода, в том числе 3,3 Si0₂. Степень металлизации окатышей = 95%. Содержание углерода в металлизованных окатышах 1,2%. Производительность шахтной печи 50,5 т/ч. Температура металлизованных окатышей после охлаждения 60 °С. Температура смешанного газа (смесь горячего конвертированного и холодного оборотного) 1000 °С.

Характеристика оборотного газа после мокрой и МЭА-очистки (по данным ГИАП): температура — 40 °С; состав, %: 1,5 С0₂; 1,6 Н₂0; 1,0 СН₄; 4,5 N₂; 32,0,1 СО; 59,4 Н₂.

Температура охлаждающего газа на выходе из зоны охлаждения 750 °С. Потери газа при МЭА-очистке и компрессии (по данным ГИАП) — 7 нм³/т или 0,4—0,5%.

Потери газов при загрузке окисленных окатышей в шахтную печь и выгрузке из нее металлизованныхокатышей (на основе опытных данных): колошникового газа — 5 м³/т; оборотного охлаждающего газа — 3 м³ /т; температурный перепад между газом и окатышами принят: в печи на уровне фурм - 10-20 °С; на выходе из печи - не менее 20 °С.

Степень использования восстановительной способности газа за один проход 32%. Температура металлизованных окатышей на входе в зону охлаждения 835 °С. Вынос пыли принят равным 1 % (может колебаться в пределах 1—3%). Влажность окисленных окатышей 2% (колебания 1—3%). Температура загружаемых окисленных окатышей в шахтную печь 20 °С.

Добавка природного газа в газопроводе конвертированного газа (или смешанного) производится из расчета получения в газе сажистого углерода ~ 5 г/нм³. В окатыши переходит ~ 45% этого углерода,остальной углерод поступает от разложения СН4 природного газа, вводимого в фурмы. Общий расход природного газа для науглероживания составляет до 28 нм3Д.

Тепловые потери (по данным Гипромеза), тыс. ккал/ч (кДж/ч): зо- I га восстановления - 90 (376,2); эо1 га охлаждения - 40 (167,2); всего по шахтной печи - 130 (543,40); кольцевой газопровод фурменного газа — 165 (689,7); газопровод грязного колошникового газа - 1770 (7398,6); 1азопровод от конвертера ВТКМ до кольцевого газопровода - 50 (209); с охлаждающей водой на фурмах - 1000 (4180); с охлаждающей водой на комколометаллах - 195 (815,1).

1. Количество железа металлического:

Feмет = (Fe0Fe2O3 + FeOисх)µFe • 56/72, где FeOFe2O3, - количество FeО, образующеюся при восстановлении Fe2O3 до FeO (Fe2O3- 2FeO + 1/2O2),кг.

FeOFe2O3= Fe2 O3исх(144/160) = 949(144/160) = 854,1 кг.

FeOисх — содержание FeO в исходных окатышах, FeOисх = 10 кг.

Feмет = (854,1 + 10) (56/72) • 0,95 = 638,474 кг.

2. Количество оксида железа в металлизованных окатышах:

FeOм.о (FeOFe2O3+FeOисх) (1-η_Fe) = (854,1 + ЮМI - 0,95) = 43,2 кг.

3. Количество железа общего в металлизованных окатышах:

Feобш= (Feмет +FeОм.о) (56/72) = 638,474 + 43,2(56/72) - 672,07 кг.

4. Количество пустой породы (ПП): 41 кг, в том числе 33 кг Si02.

5. Состав металлизованных окатышей (в числителе — кг, в знаменателе - %): 672,07/91,90 Feобщ; 638,5/87,3 Feмет; 43,20/5,9 FeO; 41,0/5,6 пустая порода; 33,00/4,5 втом числе Si02; 8,6/1,2 С. Итого: 731,3/100,0.

Расход окисленных окатышей на 1 т металлизованных:

Qok= (1000/0,7313) = 1367 кг.

С учетом лагерь металлизованных окатышей (по опытным данным 0,5-1,0%, в расчете принято 0,7%) получено 1376 кг окисленных окатышей. Из 1376 кг окисленных окатышей получают металлизованных окатышей QMO = 1376 0,7313 = 1006,3 кг.

Определение количества кислорода, отнимаемого от окисленных ока-тышей в процессе металлиизации.

Образуется FeO из Fe2O3 (Fe2O3=2FeO + 1/2O2):

FeOFe2O3= (Q Fe2O3 (144/160)=»3760,949 * 0,9 = 1175,2кг/т.

Отнимается кислорода при восстановлении FC2O3 до FeO:

1376 0,949(16/160) = 130,6 кг/т.

Восстанавливается FeO:

(FeOFe2O3+ Q ok*FeOисх)–(Q M.O*FeOM.O)=[1117512+(1376*0,01)]-1006,30,059 = 1129,6 кг/т.

С_р¹⁰⁰⁰=0,34 ккал/(нм³*°C)[1,421] кДж/(нм^3*°C)]; С_р⁹⁰⁰=0,3368 ккал/(нм³*°C)[1,408 кДж/(нм³*°C)]; С_р⁸⁰⁰=0,3340 ккал/(нм³*°C)[1,396 кДж/(нм^3*°C ].

Приход тепла:

Со смешанным газом: 1349*1000*0,3373= 455018 ккал (1901975кДж);

С природным газом: 28*30*0,369=310 ккал (1296 кДж);

С оборотным газом: 10* 40*0,3135=125ккал (523 кДж).

Итого: 455453 ккал(1903794 кДж).

Расход тепла:

На разложение СН₄(12,6*0,997/22,4)17890=10033 ккал(41938 кДж);

Тепловые потери: 165000/50,5= 3267 ккал(13656 кДж);

На нагрев сважистого углерода:6,73t_ф.г*0,361=2,43t_ф.г ккал(10,2 t_ф.г кДж);

С фурменным газом: 1399,7 t_ф.г*0,3376=472,5 t_ф.гккал(1975 t_ф.г кДж);

Итого: 13300+475 t_ф.гккал(55594+ 1985,2 t_ф.гкДж); 455453= 13300+475 t_ф.г(1903794=55594+1985,2 t_ф.г); t_ф.г=442153/475=930°C.

С учетом потерь тепла с охлаждающей водой на фурмах(1000000 ккал/ч) падение температуры фурменного газа составит:

αt=1000000/(PV_фгС_р^фг)= 1000000/(50,5*1399,7*0,3362)=45°С,

где Р- производительность печи, т/ч.

Таким образом, температура газа на выходе из фурмы составит: 930-45=885°С:

С_р⁸⁰⁰=0,3285 ккал/(нм³*°C)[1,373 кДж/(нм^3*°C ];

С_р⁹⁰⁰=0,3312 ккал/(нм³*°C)[1,3844 кДж/(нм^3*°C ];

С_р⁸⁵⁰=0,3298 ккал/(нм³*°C)[1,3786 кДж/(нм^3*°C ].

Температура востановительного газа:

Q_общ^охл=V_фгt_фгC_р^фг=(V_фг+V_об)t_вгC_р^вг= 550*0,3260*750+1399,7*885*0,3362=1949,7t_вг0,3298;

t_вг^о=856°С.

Содержание углерода в металлизованных окатышах

Принимаем, что содержащийся в фурменном газе сажистый углерод переходит в окатыши на 45%(изменяется в пределах 0,2-0,7 %), а остальное уходит с колошниковым газом, т.е. 6,73*0,45=3,03кг/т. Остальное количество углерода переходит из СН₄ восстановительного газа, разлагающегося в печи (непосредстенного на окатышах), т.е.

Состав колошникового газа

Компонент	Восстановитель-ный газ,м^3	Образовалось при восстановлении, м^3	Влага окатышей,м^3	Колошниковый газ
М^3	%
СО2 СО Н2 СН4 N2 Н2О ∑	34,1 602,6 1135,3 12,4 58,7 122,0 1966,2	+184,4 -185,4 -349,0 - - +349,0 -	- - - - - +34,6 34,6	219,5 481,3 786,3 12,4 58,7 506,0 2000,8	11,0 20,9 39,3 0,6 2,9 25,3

16,5* 12/22,4=8,84 кг/т. Тогда обшее количество углерода в окатышах составит: 3,03+8,84=11,87 кг/т или11,87*100/1006,3= 1,18~1,2%.

Определение состава колошникового газа (табл. 4.17). Доля СО в смеси СО+Н₂:30,7*100/(30,7+57,8)=34,7%, где 30,7- содержание СО в восстанновительном газе,%.

Доля Н₂ в смеси (СО+Н₂): 57,8*100/(57,8+30,7)=65,3%, где 57,8- содержание Н₂ в восстановиельном газе,%.

Расходуется СО на восстановление и образуется СО₂:534,4*0,347=185,4нм³/т,где 534,4- расход (СО+Н₂) на востановление,нм³/т.

На восстановление расходуется Н₂ и образуется Н₂О: 534,4*0,653=349,0нм³/т.

Из окатышей выделяется влаги (2%): 1390*0,02 *(22,4/18)=34,6нм³/т, где 1390 – расход окисленных окатышей с учетом выноса в виде пыли14 кг(1376+14)=1390кг.

Вынос пыли: окатыши – 14кг/т;сажистый углерод – 3,67 кг; итого:17,67 кг.

Запыленность колошникового газа: 17670/2000,8= 8,83г/нм³.

Проверка степени использования восстановительной способности газа(за 1 проход):

Степень приближения к равновесию по реакции FeO→Ғе. При восстановлении FeO отнимается кислорода 251,1кг/т, на что требуется израсходовать (СО+Н₂):

Состав газа после газочистки

компонент	Колошниковый газ,нм^3	Потери*, нм^3	Влага,нм^3	После газочистки
нм^3	%
СО2 СО Н2 СН4 N2 Н2О ∑	219,5 418,3 786,3 12,4 58,7 506,0 2000,8	-0,6 -1,0 -1,9 - -0,2 -1,3 -5,0	- - - - - -467 -467	218,9 417,3 784,4 12.4 58,5 37,7 1528,5	14,3 27,3 51,3 0,8 3,8 2,5

При 800°С содержание СО₂ и Н₂О в равновесных газовых смесях составляет соответственно 34,7 и 34,0%. При 850 °С для газа,содержащего 30,7% СО и 57,8% Н₂, эта цифра составит 35,3%, тогда степень приближения к равновесию: 0,27/ 0,353= 0,765.

Определение состава газа мокрой газоочистки(табл.4.18). Потери колошникового газа в загручном устройстве составляют 5нм³/т, (в том числе 1,3 нм³∕т Н₂О),т.е. на газоочистку поступает 2000,8-5=1995,8 нм³∕т,в том числе 1995,8*0,253=504,9нм³ Н₂О.

При газоочистке удаляется влаги до остаточного содержания Н₂О в газе 2,5%: (504,9- Х)/1995,8= 0,025;Х=467 нм³∕т.

Составим балансовые уравнения:

1528,5-(Х+У)=550+434+10+3+7+12,5;

218,9-(Х+0,143V)=(550+434+10+3+7)СО_{2 об.г.},

где 1528,5 – количество газа после газоочистки, нм³; 550 – количество оборотного газа на охлаждения, нм³; 434 – количество оборотного газа на смешание, нм³; 3 и7 – потери газа при сбросе и очистке, нм³; 218,9 – количество СО₂ в газе после газоочистки, нм³;содержание СО₂ в оборотном газе после МЭА – очистки,%(1,5%); 12,5 – количество Н₂О оборотного газа, удаляемого при компрессии(33%), нм³; У=371 нм³∕т (сброс)(табл. 4.19)

Таблица 4.19

Состав оборотного газа после сброса, МЭА- очистки и компрессии

Компонент	После газоочистки нм³	Сброс*, нм³	МЭА- очистка, нм³	Влага оборотного газа, нм³	Оборотный газ
нм³	%
СО²   СО         O	218,9   417,3   784,4   12,4   58,5   37,7   1528,5	-53,0*   -101,3   -190,3   -3,0   -14,5   -9,3   -371	-151   -   -   -   -   -   -151	-   -   -   -   -   -12,5   -12,5	14,9   316,0   594,1   9,1   44,0   15,9	1,50   31,8   59,8   0,9   4,42   1,64

* Количество компонентов сбрасываемого газа определяется исходя из величины сброса и состава газа после газоочистки: С02 = 371-0,143 = 53 нм3 и т. д.

Тепловой баланс зоны восстановления (на 1 т металлизованных окатышей) (табл. 4.20).

Приход тепла:

а) с окисленными окатышами: 1390-20 0,17 = 4726 ккал (19755 кДж), где 0,17—теплоемкость окисленных окатышей, ккалДкг ■ °Q;

б) с газом из зоны охлаждения: 550-40 0,3135 - 6897 ккал, или 6,90 тыс. ккал (28,84 кДж).

в) с фурменным газом: 1399,7-930-0,3376 = 439461 ккал (1836947 кДж);

г) с сажистым углеродом: 6,73 • 930-0,361 = 2259 ккал (9443 кДж), где 0,361 — теплоемкость сажистого углерода, ккалДкг - °С).

Итого: 580921 ккал (2428251 кДж).

Расход тепла: а) с металлизованными окатышами:

1006,3 • 835 - 0,167 = 140365 ккал (586726 кДж);

б) на восстановление и науглероживание:

3Fe203+ 9СО = 6Fe+ 9С02 + 18476 ккал (77230 кДж);

Qx= (18476-185,4)/(22,4 • 9) = +16991 ккал (71022 кДж);

Fe203+ ЗН2 = 2Fe+ ЗН20 - 23590 ккал (98506 кДж);

Q2= (23590-349,0)/(22,4 - 3) = - 122513 ккал (512104 кДж);

СН4> С + 2Н2 - 17890 ккал (74780 кДж);

[1] = (17890-1б,5)/22,4 = -13178 ккал (55084 кДж);

3Fe+ С = Fe3C+ 5800 ккал (24244 кДж);

Q4= (11.87 • 5800)/12 = +5737 ккал (23981 кДж).

Итого: —112963 ккал (472185 кДж):

в) тепловые потери:

с охлаждающей водой на фурмах: 1008000/50,5 = 19960

ккал (83433 кДж); ю*

Таблица 4.20

Тепловой баланс печи

Приход тепла	Тысккал/т (кДж/т)	%	Расход тепла	Тыс.ккал/т (кДж/)т	%
С окисленными окатышами С оборотным газом из зоны охлаждения С фурменным газом и сажистым углеродом   Итого	4,73 (19,77)   6,90 (28,84) 441,72 (1846,39)   453,35 (1895)	1,05     1,52   97,43	С меаллизованными окатышами На эндотермические реакций   С колошниковым газом С пылевыносом   На испарение влаги окатышей Тепловые потери; с охлаждающей водой через стенки   Невязка     Итого	7,25 (30,3)   112,96 (472,14) 288,25 (1204,9) 1,50 (6,27)   16,29 (68,1)   23,82 (95,57) 2,57 (10,74)   0,71 (2,97)   453,35 (1895)	1,60     24,9   63,6   0,33   3,6   5,21   0,60     0,16

через стенки: 90000/50,5 = 1782 ккал (7449 кДж).

Итого: 21742 ккал (90882 кДж);

г) на испарение влаги: 1390 0,02-586 = 16291 ккал (68096 кДж);

д) с колошниковым газом: 2000,81 • 0,3472 = 694,6 / ккал (2903/, кДж); 0,3472—теплоемкость колошникового газа, ккалДнм^ • °С);

е) с пылевыносом:

14/кг-0,195 = 2,73 /кг(11,4 /кг, кЦж)

3,67 tK г 0,24 = 0,88 tKT (3,7 tKr, кДж)

3,61 t^T (15,1 /кг, кДж),

где 0,195 и 0,24 — теплоемкость пыли и сажистого углерода соответст­венно, ккалДкг - °С).

Итого расход: 291361 + 698,211^;

5Я0921 = 291361 + 698,21 /кг;

(2428251 = 1217889 + 2918,1 /„) = 415 °С.

Дата добавления: 2015-08-20