Статьи | Металлолом — Part 70

Первичным видом энергии атомного реактора является тепловая энергия, которая выделяется в результате расщеп­ления ядер. Вторичная энергия — электрическая получается преобразованием тепла, выделяющегося в реакторе. Преобра­зование осуществляется при помощи охлаждающей среды и сопровождается потерями энергии (до 60 %).

В черной металлургии для комбинированного производства тепла и электроэнергии должны найти применение высокотем­пературные газоохлаждаемые атомные реакторы. В качестве охладителя в таких реакторах используется гелий, конечная температура которого на выходе из реактора достигает 1050—1200 К. Повышение ее в промышленных реакторах до 1300-1500 К вполне осуществимо в ближайшие годы.

Тепло охладителя можно использовать для конверсии углеводородсодержащего топлива, нагретые продукты которой необходимы как для внедоменного восстановления железных руд с получением губчатого железа или металлизации желе­зорудных окатышей и агломерата, так и для жидкофазного восстановления железных руд. Электрическая энергия при этом будет потребляться в первом случае для проплавки губчатого железа или металлизованных окатышей и агломера­та в электрических печах, а во втором случае для питания плазменных генераторов.

На рис. 73 показана схема процесса прямого получения стали с использованием тепловой энергии атомного реактора для получения губчатого железа и электрической энергии — для переплава губчатого железа в электрической печи.

Рас. 73. Схемы прямого получе­ния стали с использованием тепла и электроэнергии атомно­го реактора:

Гелий1200″С Руда

Воссгпано витель

image103_4-6334676

image104_4-5438999

Природный газ

Т-

1 — атомный реактор (остальные обозначения в тексте)

Гелий в теплообменнике 2 нагревается до ISOO К и поступает для обогрева агрегата 3, где железорудный мате­риал восстанавливается, и реформера 4, где конвертируется углеводородсодержащее топливо. Нагретый восстановительный газ подается в агрегат для металлизации железорудного материала 3. Охлажденный до 1200 К гелий вращает газовую турбину 7 и генератор 6, и, охлаждаясь до 600 К, снова поступает в теплообменник 2. Металлизованный железорудный материал переплавляется в сталь в электропечи 5, которая питается от генератора 6.

Возможно использование отводящего тепла атомного реак­тора и в случае внедоменного получения железа с примене­нием твердого восстановителя. В такой установке получение восстановительного газа из твердого топлива и восстанов­ление железорудных материалов происходит в одном агрега­те. Охладителем атомного ректора в этом случае также слу – 318 жит гелий. Гелий выходит из атомного реактора с темпера­турой 1500 К и поступает в гелиевосвинцовый теплообмен­ник, в котором жидкий свинец нагревается до 1300 К. Из теплообменника жидкий свинец поступает в восстановитель­ный агрегат, в который загружается железорудный материал и твердое топливо. Из восстановительного агрегата жидкий свинец выходит с температурой 1100 К и снова направляется в теплообменник. Охлажденный в теплообменнике гелий поступает в газовую турбину, служащую приводом электро­генератора и гелиевых компрессоров, а затем в холодиль­ник, и направляется в атомный реактор в качестве охлаж­дающей среды. Полученное в восстановительном агрегате губчатое железо переплавляется в сталь.

Разработано несколько способов использования тепла атомных реакторов в доменном производстве. Для нагрева дутья можно использовать тепло атомного реактора с проме­жуточным теплообменным контуром (рис. 74). При этом охлаждающей средой атомного реактора служит гелий, поки­дающий реактор нагретым до 1500 К. Из реактора гелий поступает в промежуточный теплообменник 3, где нагревает жидкий свинец, и снова возвращается в реактор 1. Нагретый жидкий свинец направляется во второй теплообменник 5, где он нагревает воздух, поступающий в доменную печь. Охлаж­денный свинец поступает в первый теплообменник 3.

При одновременном вдувании нагретого восстановительно­го газа в фурмы, расположенные на горизонтах Ф1 и Ф2, на участке между ними создается изотермическая зона с задан­ной температурой, размер которой определяется взаимным расположением фурм, количеством и температурой подаваемо­го через них газа. Газ, подаваемый через фурмы Фг, обес­печивает нагрев железорудного материала от начальной до критической температуры (t™) (рис. 75, кривая 2), а через фурмы Ф1 компенсирует потери тепла через кожух шахты и поддерживает постоянную температуру шихты от уровня фурм Фг до зоны плавления. Условия теплообмена при подводе горячего восстановительного газа одновременно через фурмы Ф1 и Фг являются предпочтительными. При одновременном вдувании газа через оба ряда фурм достигаются оптимальные условия для протекания восстановительных процессов до начала плавления железорудных материалов.

Таким образом, для обеспечения максимальной степени восстановления в шахтной плазменной печи нагретый восста­новительный газ должен истекать из плазменных генераторов и двух рядов фурм. Общая высота печи

Я = h + A1 + Л2, м, (268)

Где Л — расстояние от оси плазменных генераторов до пер­вого ряда фурм; Л, — расстояние от первого до второго рядов фурм; Л2 — расстояние от второго ряда фурм до верха шахты.

Горизонт расположения первого ряда фурм определяется достижением железорудными материалами критической темпе­ратуры. При плавке железорудных окатышей расстояние от плазматронов до первого ряда фурм составляет 350—400 мм. Расстояние между первым и вторым рядами фурм определяется линейной скоростью движения железорудных материалов (и) и временем нахождения материалов в объеме шахты между ряда­ми фурм (т). Время нахождения материалов между рядами фурм зависит от крупности и восстановимости железорудного материала его металлизации при нагреве до критической температуры. Для агломерата и окатышей различной крупнос­ти и минералогического состава оно определено и имеется в литературе.

Расстояние от второго ряда фурм до верха шахты опреде – 316 ляется линейной скоростью движения материалов и временем нагрева материалов от начальной до критической температу­ры.

J ‘KPj ‘ s. ws.:–..’

– —J C„y„(l – е) ,

Т = ————————————— , (269)

– аК^м/^г) – 1] !

Где (кр, tr — температура железорудного материала и сред­няя температура газа на уровне фурм второго ряда, °С; а — коэффициент теплопередачи, Дж/(мг • с • К); Cm — тепло­емкость железорудного материала, кДж/(кг • К); – насыпная плотность материала, кг/м3; е— порозность слоя материалов; Wm и Wr – теплоемкость потоков материала и газа, кДж/(с • К).

§19. применение атомной энергии в металлургии

В последние годы все большее внимание уделяется проб­леме использования атомной энергии в черной металлургии.

В 1985 г. электрическая мощность атомных реакторов во всем мире достигала 250 млн. кВт, а к 2000 г. атомные электростанции будут вырабатывать >20% мирового произ­водства электроэнергии. Применение атомной энергии в чер­ной металлургии представит большую свободу выбора места строительства металлургического завода и сократит транс­портные издержки по перевозке топлива.

Рже. 72. Изменение температуры газа по высоте шахты при работе плазменных гене­раторов, одновременной подаче горячего газа через фурмы Ф, н Ф2: 1 — при работе только плазменных генера­торов (остальные обозначения в тексте)

Высоте шахты при подаче

image102_1-1184107

FM fH 1IKf,) 1M

Газовые потоки, истекающие из плазменных генераторов и фурм Wm температура мате­риала в результате теплообмена достигнет температуры теплоносителя, и газ будет уходить из реактора с высокой температурой. Если температура газа выше температуры плавления материала, то материал начинает плавится на уровне фурм Ф„ что приведет к увеличению толщины слоя размягчения материалов, и движение материалов прекратится (рис. 72, а, кривая 3), если же температура газового потока меньше критической температуры нагрева материала, то в этом случае температура шихты после теплообмена будет ниже, чем это позволяют условия движения материа­лов. При подводе дополнительного количества высоконагре­того восстановительного газа через фурмы Фоптимальные. условия теплообмена будут в случае, когда температура газового потока равна f?p (рис. 72, а, кривая 4).

Однако при подводе горного газа через фурмы Ф2> в любом рассмотренном случае не обеспечиваются необходимые условия тепломассопереноса, так как на значительном участке высоты шахты температура материалов низкая, и процессы восстановления при такой температуре идут медленно. При вдувании нагретого восстановительного газа через фурмы Ф2, расположенные на расстоянии h от оси плазматронов, характер изменения температуры показывает, что в слое шихты высоты Ii2 образуется зона интенсивного теплообмена (рис. 74, б, кривая 2). В зависимости от соотношения теплоемкостей потоков материала и газа (после его смешения с газом, вытекающим из плазменных генерато­ров) температура материала, выходящего из области интен­сивного теплообмена, может быть различной. При изменении высоты установки этого ряда фурм возможно добиться полу­чения заданной температуры материалов.

Допустим, что материал, пройдя участок шахты высотой h2, нагрелся до критической температуры ^p Опускаясь ниже, он будет охлаждаться газом, истекающим из плазмен­ных генераторов. На участке высоты шахты hv материал будет недостаточно нагрет, и скорость восстановления будет недостаточной (рис. 74, б, кривая 3). Для повышения температуры в шихте необходимо увеличить высоту h2 за счет уменьшения высоты A1, либо увеличения общей высоты шахты. Распределение температур в шахте для этого случая представлено на рис. 74, б, кривая 4.

I = ISJ S или I = G/SWkp. (266)

Диаметр верхней части шахты должен быть определен из условия, при котором не превышается критическая скорость газа в верхней части шахты. Диаметр верхней части шахты находится из уравнения

4G’/itW’KP, м, (267)

Где Wkр – критическая скорость газа на свободном сечении в верхней части шахты, м/с; G’ – количество газа, прохо­дящего через верхнюю часть шахты с учетом температуры газа, M3Zc.

Угол наклона шахты определяется из соотношения диамет­ров и высоты шахты. Ниже приведены результаты расчетов горизонтальных размеров шахтного плазменного реактора для прямого получения железа:

Производительность, т/сут. . 2000 3000 4000 5000 Оптимальное число плазменных ге­нераторов при заданной форме зон

TOC \o «1-3» \h \z плавления…………………………………………………… 16 16 16 16

Мощность одного плазменного гене­ратора, МВт 2,45 3,68 4,90 , 6,13

Расход газов (природный газ и кислород) через одни плазменный

Генератор, м3/ч …………………………………………. 391,7 587,5 783,3 972,2

Длина зон плавления, м…. 0,65 0,79 0,92 1,02 Ширина зон плавления, м… 0,32 0,40 0,46 0,51 Диаметр нижней части шахты на уровне установки плазменных гене­раторов, м 2,38 2,90 3,35 3,75

Диаметр верхней части, м… 2,19 2,69 3,10 3,46

В расчете принято: работа реактора на железорудных окатышах размером 5-20 мм; температура окатышей, приходя­щих в зону плавления, 850 0C: степень использования газа, тепловые потери реактора, к. п.д. плазматронов 40, 20 и 75 % соответственно; критическая скорость фильтрации газа через верхнюю часть шахты 56,9 м/с, нижнюю – 87,7 м/с; плотность газа соответственно 0,22 и 0,091 кг/м3.

Особенности теплообмена в шахтных плазменных печах, вызванные большими удельными тепловыми потоками, интен­сивной теплопередачей от газа к материалу в зонах плав­лениях и большой скоростью плавления, приводит к резкому снижению температур по высоте шахты. Это обусловливает минимальные размеры зоны, в которой железорудные материа­лы находятся в размягченном состоянии, но, с другой стороны, приводит к тому, что в значительной по высоте части шахты температура относительно низкая.

В шахте должен быть выполнен основной объем восстано­вительной работы, что становится невозможным из-за малого времени пребывания материалов в шахте до момента их плав­ления и относительно низкой их температуры. Для увеличе­ния скорости восстановления необходимо повысить темпера­туру в шахте, на горизонтах, находящихся выше области плавления. Температура в шахте может быть повышена пода­чей в нее горячего восстановительного газа.

На рис. 72 показано изменение температуры газа по

Горячего восстановительного газа на различных* горизонтах. При вдувании газа через фурмы V2 при неизменной температуре центра куска, равной начальной температуре. В момент плавления температура поверхности равна температуре плавления fnjI. Тогда перепад температур между поверхностью и центром куска будет

M1 = f„л ~ f„- (257)

Зная размер куска железорудного материала (г— радиус) и теплофизические свойства, можно определить удельный тепловой поток (qKP), который обеспечивает перепад темпе­ратур Af,

QKP = IKLtJr = 2Лапл – g/r, (258)

Где Л — коэффициент теплопроводности железорудного мате­риала, Дж/(м • с • К).

Тепловой поток < qKP не сможет обеспечить нужного распределения температур в куске. Толщина куска, на кото­рой Af2 = tnn — fpa3M, при qKP представляет собой макси­мально допустимую толщину размягченного слоя, т. е.

5КР = IKLtJqyx, м. (259)

В зону плавления необходимо подвести такое количество тепла, чтобы даже при образовании выплавленной полости у сопла плазматрона с максимальной поверхностью удельный тепловой поток не был меньше qKP. Площадь поверхности выплавленной полости F = nn2d^ (dK – максимальный диаметр куска железорудных материалов). Подставив значения F и qKP в выражение (256), получили

TOC \o «1-3» \h \z Q1 = [2А(ГПЛ – fи)/г]ппЧ>, Дж/с. (260)

Потери тепла Qnox = Свп»в(‘! – fg) + InrCjtr + ч.

+ i(s/A)Va/a/’ Дж/С> (261)

Где Cb и Cr – теплоемкости воды и колошйикояого газа; 308 газа; fj и fg – начальная и конечная температура охлаж­дающей воды; tr – температура колошникового газа; f, и t2 7- температура внутренней и наружной поверхности огне­упорной кладки; 5 — толщина слоев материала, через кото­рые теряется тепло; А — коэффициент теплопроводности футеровки и кожуха; а — коэффициент теплопроводности при естественной конвекции; / — площадь поверхности, через которую теряется тепло.

Таким образом, минимальное количество тепла, необходи­мое на процесс, »

Протяженность зоны размягченных материалов может быть определена аналитически, если принять, что плавление происходит при постоянной температуре и расплав сразу же стекает с поверхности плавящегося куска железорудного ма­териала. В этом случае можно считать, что процесс плавле­ния идет при постоянном тепловом потоке на поверхности. Тепло, подведенное к поверхности, будет расходоваться частично на плавление поверхностных слоев, частично на нагрев нерасплавившегося материала. Таким образом, плав­ление может рассматриваться как процесс нагрева двухслой­ного тепла, состоящего из плавящегося и нерасплавленного слоев (рис. 70). В куске железорудного материала часть нерасплавленного слоя находится в размягченном состоянии. 304

Если S— толщина расплавленного слоя, a q2 — удельный тепловой поток на границе плавящегося и нерасплавленного слоев, то на плавление элементарного слоя толщиной AS пойдет удельный тепловой поток qlt а на нагрев нераспла-

Вившегося слоя толщиной 5 — удельной тепловой поток Яг+ Чу Разность температур на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев г, и температуры начала размягче­ния куска железорудного материала t2 можно определить из уравнения:

Откуда толщина размягченного слоя, м:

6 = 2A(fj – t2)/q2, (252)

Где А — коэффициент теплопроводности, ДЖ/(м • с • К).

Как следует из уравнения (252), толщина размягченного слоя при постоянных теплофизических свойствах материала и при постоянных температурах на поверхности плавящегося и нерасплавленного слоев определяется только величиной удельного теплового потока, подведенного к нагреваемому слою: чем больше величина удельного теплового потока, тем меньше толщина размягченного слоя (при постоянном потреб­лении тепла на плавление).

Величина удельного теплового потока на границе плавя­щегося и размягченного слоев зависит от параметров нагре­ва и плавления, а также от толщины слоя плавления, т. е.

305

Or скорости перемещения фронта пяавления. Скорость нагре­ва элементарного плавящегося слоя

V1 = ^1- qjCycn?dS, 1 (253)

Где Cycn — условная теплоемкость плавящегося слоя с уче­том открытой теплоты плавления Сусл = С + [р/^-^)]; К— плотность материала, т/м3; fcp— средняя температура плавящегося слоя; р — скрытая теплота плавления, Дж/кг; С – теплоемкость, Дж/(кг • К). Скорость нагрева оставше­гося нерасплавленного слоя толщиной г

V2 = (2Ф + 2)qj[r – (5 + S)]yC, (254)

Где Ф — коэффициент формы куска (для шара Ф = – у-).

Величина удельного теплового потока, подведенного к нагревающемуся слою (q), обеспечивающая минимальную тол­щину размягченного слоя, достигается при v, = v2. Продол­жительность нагрева куска от начальной O0) до конечной температуры (fK)

T = nC(tK – f0)/(2Ф + 2)q. (255)

С увеличением начальной температуры кусков железоруд­ного материала по приходе его в зону плавления время нагрева сокращается, что приводит к увеличению скорости нагрева. В частности, для железорудных окатышей при темпе­ратуре до 1173 К скорость нагрева нерасплавившегося слоя, т. е. скорость распространения тепла в слое, меньше ско­рости плавления. При 1173 К V1 = V2, а при > 1173 К

V1 > V2.

Таким образом, для того чтобы толщина слоя размягчен­ного материала была минимальной, необходимы большая ско­рость плавления и интенсивный теплообмен между газом и плавящимися кусками железорудного материала. Выполнение этих условий возможно при больших величинах удельного теплового потока и коэффициента теплоотдачи. При q = 100+450 кДж/(м2 • с) толщина размягченного слоя сос­тавляет несколько миллиметров (см. рис. 69). Такой удель­ный тепловой поток и коэффициент теплоотдачи возможен при 306 нагреве восстановительного газа в плазменном генераторе. Относительно небольшое количество газа (в газе отсутст­вует азот) и высокая его температура позволяют при небольшой удельной мощности плазматрона вносить в шахтный реактор большое количество тепла (до 8000кДж/м3 газа).

Мощность, кВт….

Расход газа, м3/с. .

Скорость газа, м/с Размер железорудного ока­тыша, мм

10

25

40

2,25

3,75

7,50

3,33

5,06

4,0

380

870

1450

20

20

20

Ниже приведены размеры выплавленной полости, мм, для шахтной печи небольшого объема за время от включения плазматрона, с (числитель — длина, знаменатель— ширина):

76,0/21,3 100,0/33,6 150/40,0 Свод раз­рушился

53,5/31,5 70,0/36,5 92,0/45,5 96,0/54,5

33,5/16,0 52,0/26,0 55,0/31,5 76,5/39,0

Время, с: 20 . , 40 . . 80 . . 160

С увеличением скорости истечения газа возрастает интенсивность теплопередачи от газа к материалу в направ­лении движения струи, что приводит к увеличению скорости плавления и длины выплавленной полости. По мере увеличе­ния длины полости уменьшается скорость ее распростране­ния. Ширина полости увеличивается только до определенной величины.

Движение железорудных материалов в шахтной печи можно представить как истечение сыпучей среды через отверстие, размеры которого соответствуют размерам выплавленной полости. Из механики сыпучих сред известно, что для сво­бодного истечения кусковых материалов требуется опреде­ленное отношение между размерами отверстия (^отв) и мак­симальными размерами кусков (dK). При нарушении этого отношения над выпускным отверстием образуется динамически устойчивый свод. Величина этого отношения зависит от свойств сыпучих материалов (коэффициента внутреннего тре­ния, крупности кусков, их формы и т. д.).

Для железорудных окатышей при круглом отверстии обра­зование устойчивого свода не происходит при величине n = dOTB/dK = 6,5. Для агломерата, куски которого имеют неправильную геометрическую форму и значительно более ше­роховатую поверхность, критическая величина этого отноше­ния равна 9,5. При эллиптической форме отверстия, как это имеет место в присопловой области плазменного генератора, вероятность образования устойчивого свода исключается при проплавке окатышей, если величина отношения a/dK > 6,0 и b/dK> 3,0 (а и Ъ— большая и малая оси эллипса).

Таким образом, через определенный промежуток времени, зависящий от газоэлектрических параметров плазменного ге­нератора, размер выплавленной полости достигает предель­ной величины. При этом, если максимальный размер куска материала не превышает критическое значение отношений (a/dK)K р и (b/dK)K р, то происходит обрушение свода, и очередная порция материалов заполняет выплавленную полость.

При заданном размере куска железорудного материала можно выбрать необходимые газоэлектрические параметры плазменного генератора, которые сохранили бы критические размеры выплавленной полости, обеспечивающие опускание материалов с заданной скоростью. При несоблюдении отноше­ния критической величины отношения размеров выплавленной полостью образуется устойчивый свод, и опускания материа­лов не происходит. Дальнейший нагрев материалов увеличи­вает скорость распространения тепла на высоте слоя, что приводит к его размягчению.

Рже. 69. Распределение температу­ры (а) и удельных тепловых пото­ков (б) при нагреве куска железо­рудного материала

Шахтные печи, оборудованные плазменными генераторами, для получения жидкого металла удовлетворяют всем требова­ниям, изложенным выше. Удельная производительность такого агрегата значительно выше, чем доменных печей, и состав­ляет по предварительной оценке 50—60 т/сут с 1 м3 объема агрегата.

Еще большую производительность можно получить в прямо­точных плазменных реакторах. Схемы прямоточных плазменных реакторов приведены на рис. 70. В прямоточных реакторах в качестве железорудного материала используется мелкодис­персный концентрат. Благодаря большой реакционной поверх­ности и высоким температурам процесс восстановления за­вершается за сотые доли секунды, что обеспечивает огром­ную удельную производительность. В лабораторных прямоточ­ных реакторах, удельная проводимость составляет 900 т/(м3 • сут). Однако энергетические затраты в прямо­точных реакторах велики, так как степень использования тепла и восстановительной способности газа в этих реакто­рах ничтожно малы.

Для плазменных восстановительных процессов, используе­мых в черной металлургии, предпочтительны противоточные агрегаты, в которых энергетические затраты сопоставимы с затратами при существующей двухстадийной схеме получения железа, а удельные производительности намного выше.

Особенности теплообмена в шахтных печах /> при использовании плазмы

Высокие технико-экономические показатели процессов – прямого получения железа в шахтных печах достигаются при совершенстве тепло – и массообмена между газом и рудными материалами. Тепло – и массообмен улучшается с повышением температуры. Однако при прямом получении железа в шахтных печах необходимость фильтрации газа через столб материа­лов требует сохранения сыпучести и кусковатости рудного материала до момента его расплавления.

При обычных методах сжигания топлива теплообмен между газом и шихтой в нижней части шахтной печи не обеспечи­вает достаточно интенсивного снижения температуры газа, в результате чего на значительном участке по высоте печи температура такова, что зона размягченных материалов простирается на большую высоту.

Интенсивность теплообмена значительно возрастает при нагреве восстановительного газа в плазменном генераторе. Высокая кинетическая энергия газа, нагретого в плазменных генераторах, установленных в нижней части шахты, обеспечи­вает сверхзвуковую скорость истечения газа из сопла плаз- матрона, и интенсивность передачи тепла твердому материа­лу становится в десятки раз больше, чем в случае примене­ния кислородного пламени. При этом снижается температура по высоте шахтной печи, и значительно уменьшается протя­женность зоны размягчения материалов, что обеспечивает фильтрацию газа через столб материалов.

Нагрев газа в плазменном генераторе делает возможным получение больших удельных тепловых потоков, обеспечиваю­щих интенсивное плавление железорудных материалов в объе­ме присопловой области плазматрона. Такой характер плав­ления железорудного материала приводит к образованию в нижней части шахтной печи поверхности плавления и объема (полости), ограниченного этой поверхностью (рис. 69). При достаточно больших размерах полости ее свод становится неустойчивым, разрушается, и очередная порция материалов поступает в зону плавления.

Если размеры полости малы, то свод, состоящий из кус­ков железорудного материала, становится динамически устойчивым, материал перестает опускаться, и это приводит 302 к постепенному его нагреву, а следовательно, к размягче­нию и слипанию, что затрудняет фильтрацию газа, и движе­ние столба шахты прекращается.

Размеры выплавленной полости определяются мощностью плазменного генератора, расходом газа, скоростью его истечения из сопла и размером куска материала. Ниже при­ведены газоэлектрические параметры плазматрона (числи­тель— длина, знаменатель— ширина):

Scroll to Top