Буткарев А.П. Опыт эксплуатации модернизированных

ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
Опыт эксплуатации модернизированных обжиговых машин
ОК-306 Лебединского ГОКа и пути их совершенствования с
целью повышения эффективности производства
А.П. Буткарев, А.А. Буткарев (ОАО «ВНИИМТ»)
А.А. Бородин, С.Н. Жилин, Малявин Б.Я. (ОАО «Лебединский ГОК»)
В период с 1999 по 2002 г. на фабрике окомкования ОАО Лебединский ГОК была
проведена реконструкция 4х обжиговых машин ОК-306 с реверсивной зоной охлаждения
[1,2], которая включала в себя реализацию следующих основных технических решений:
• трехсекционной зоны сушки (с низко- и высокотемпературной зонами с
просасыванием теплоносителя) с изменением соотношения количества камер с
продувом и просасыванием сушильного агента с 5:2 до 3:2:2 и передачей 50%
площади аспирационной нулевой газовоздушной камеры (ГВК) в первую
секцию сушки;
• исключение реверсирования охлаждающего агента в зоне охлаждения и
охлаждение окатышей по всей длине зоны с продувом теплоносителя снизу
вверх;
• использование нагретого (t=250-275 oC) воздуха, отходящего из второй секции
зоны охлаждения, для охлаждения окатышей в первой секции зоны и на
горение топлива в качестве первичного;
• увеличение площади зоны рекуперации с 2х до 3х ГВК.
В результате сразу же в начальный период было достигнуто коренное улучшение
технико-экономических показателей работы обжиговых машин:
• повышение производительности обжиговых машин на 5-10 т/час [2] (с 285 до
295 т/ч) по сравнению с машиной с реверсивной зоной охлаждения;
• снижение удельного расхода топлива (природный газ) до 15,3 м3/т[3];
• снижение удельного расхода электроэнергии на 26,5% (с 68 до 50 кВт⋅ч/т);
• снижение выбросов отработанных газов в атмосферу на 250 тыс. м3/ч с каждой
машины [2].
В дальнейшем осуществлялось последовательное совершенствование теплотехники
и технологии обжига, что позволило значительно улучшить показатели работы машин.
Так ввод в эксплуатацию на обжиговой машине №4 подсистемы оптимального
управления позволил, за счет оптимизации режима обжига, улучить все показатели [3,4]:
• снизить удельный расход топлива на 10%;
• снизить удельный расход электроэнергии на 6%;
• повысить производительность обжиговой машины на 3%.
Перенос технологическим персоналом режимов эксплуатации, рекомендуемых
подсистемой оптимального управления, на другие машины также положительно повлиял
на улучшение их показателей. Однако большие колебания нагрузки обжиговой машины
(до ±18-20% от средней) [1], а также колебания влажности сырых окатышей, особенно в
области высоких значений (>10,7% по ТУ – 9,3%) приводили к снижению эффективности
подсистемы оптимизации. Совершенствование укладки слоя сырых окатышей и бортовой
постели на обжиговые машины (а.с. ВНИИМТ [5]), а также проведенный комплекс работ
в части совершенствования оборудования и технологии получения сырых окатышей,
позволили достичь следующих показателей:
• производительность была доведена до 320-325 т/ч;
• удельный расход топлива снижен до 12,6 м3/т
• удельный расход электроэнергии снижен до 44 кВт⋅ч/т.
Таким образом, реконструкция обжиговых машин и совершенствование
технологии позволили в целом достичь1):
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
• увеличения производительности машин на 12,2%;
• снижения удельного расхода топлива до 37%;
• снижения удельного расхода электроэнергии на 35%,
по сравнению с периодом до реконструкции.
Однако опыт эксплуатации обжиговых машин показал, что технические решения
по зоне охлаждения имеют существенные производственные недостатки:
• значительное ухудшение экологической обстановки (повышенная температура,
запыленность) непосредственно вблизи обжиговой машины в районе зоны
охлаждения из-за вредных продувов (в количестве до 30%) нагретого
(температура до ∼300 oC), запыленного воздуха через продольные уплотнения
ГВК на рабочие площадки, а также выбросов газов в цех в головной части
машины вследствие сокращения на 50% площади нулевой аспирационной
камеры и снижения эффективности ее работы;
• выход из строя подшипников обжиговых тележек и пластин продольных
уплотнений ГВК вследствие их перегрева и выгорания смазки;
• перегрев кожуха и металлоконструкций горна в зоне охлаждения.
Кроме того, наши исследования [6,7] показали, что несмотря на экономию топлива,
использование нагретого воздуха в зоне охлаждения по сравнению с холодным
(атмосферным) приводит к таким недостаткам, как увеличение удельных расходов
электроэнергии и охлаждающего агента на охлаждение и снижение удельной
производительности зоны и обжиговой машины в целом. Поэтому целесообразность
использования нагретого воздуха в зоне охлаждения необходимо оценивать комплексно
на основе сопоставления дополнительных затрат электроэнергии, снижения
производительности – с одной стороны и ожидаемой экономии топлива за счет
достижения более высокой температуры рециркуляционных потоков воздуха,
подаваемого прямым перетоком из зоны охлаждения 1 в зоны нагрева слоя окатышей – с
другой. При этом, с целью минимизации энергозатрат, необходимо следовать следующим
принципам[6]:
• нагретый воздух необходимо подавать на начальном участке зоны охлаждения,
причем относительная площадь этого участка должна быть минимальной;
• перед подачей нагретого воздуха в зону охлаждения разбавлять его
атмосферным воздухом нецелесообразно;
• учитывать, что подача в конце зоны охлаждения даже низконагретого воздуха
(t=60-80 oC) всегда вредна и приводит к существенному снижению
эффективности охлаждения.
В связи с этим необходимо отметить тот факт, что даже на новейших обжиговых
машинах ведущих зарубежных фирм (Лурги, Даниэли Корус, Swedala и др.), в том числе
самых последних разработок, например, площадью 780 м2 ф. CVRD, Бразилия, 1999г.]
охлаждение нагретым воздухом не используется, что связано, по-видимому, с
перечисленными недостатками, а также, как будет показано ниже, с повышенным
удельным расходом электроэнергии по сравнению со схемой машины без использования
нагретого воздуха (t=250-275 oC) в первой секции охлаждения и более низкой удельной
производительностью зоны охлаждения. Эти машины экономичны и эффективны по
удельным расходам топлива, электроэнергии и надежности работы оборудования
(колосники, тележки, дымососы и др.), имеют довольно высокую удельную
производительность [8,9].
В настоящее время особенности рыночной ситуации обусловили необходимость
коренного увеличения производительности обжиговых машин на Лебединском ГОКе,
снижения затрат на энергоресурсы (природный газ, электроэнергия) при высоком качестве
готовых окатышей.
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
2
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
Для достижения этой цели авторы данной работы, с использованием
производственных данных, на основе численного эксперимента с применением
математической модели, адаптированной к реальному технологическому процессу [10,11]
выполнили расчет модернизированной теплотехнической схемы с целью ее реализации на
одной из обжиговых машин.
Результаты численного эксперимента, предыдущие разработки [6,7], а также опыт
эксплуатации обжиговых машин убедительно показали, что совершенствование
технологии обжига на Лебединском ГОКе с целью увеличения производительности и
снижения расхода энергоресурсов целесообразно вести путем:
• организации процесса охлаждения окатышей холодным (атмосферным)
воздухом по всей площади зоны охлаждения, что позволит увеличить ее
удельную производительность, а освободившуюся площадь передать в зоны
нагрева окатышей;
• рационального перераспределения полезной площади обжиговой машины
между технологическими зонами;
• замены двухпроводных турбулентных горелочных устройств, более
экономичными
инжекционными
горелками
(например,
конструкции
ВНИИМТ);
• совершенствования процесса загрузки слоя на обжиговые тележки.
Полученные данные (рис. 1, 2) показали, что при одинаковых с базовым
(существующим) режимом обжига, производительности, максимальной температуре
окатышей на разгрузке (221 оС), а также нижних участков слоя (граница «слой – постель»)
в конце зоны рекуперации (1130 оС) и давлениях в ГВК зон нагрева и зоны охлаждения
(480 даПа в первой и 270 даПа – во второй секции (предельные при 100% открытии
направляющих аппаратов дымососов)) площадь зоны охлаждения может быть сокращена
на 2,7 ГВК (см. рис. 2) в сравнении с охлаждением окатышей нагретым воздухом. Это
соответствует увеличению удельной производительности зоны охлаждения на 18%, что
при оптимальном перераспределении площадей технологических зон, соответствует
увеличению производительности машины на ~8%.
Следует отметить, что сравнительные расчеты были выполнены при полном
(100%) открытии всех дымососов, кроме одного из группы Д3 (49%, рис. 3), т.е. резерв по
интенсификации технологического процесса практически отсутствует.
На основании расчетов теплообмена, газодинамики слоя и процессов горения
топлива (природного газа) усовершенствована теплотехническая схема обжиговой
машины (рис. 3), составлен баланс газопотоков и определены оптимальные
конструктивные параметры и показатели работы машины. Ее отличительные особенности
по сравнению с существующей:
• увеличенные на 1 ГВК площади зон сушки 3, обжига и рекуперации, так как
они ограничивают увеличение производительности зон нагрева, и уменьшенная
на 1 ГВК площадь зоны подогрева;
• уменьшенная на 2 ГВК площадь зоны охлаждения и, соответственно
увеличенная на 2 ГВК площадь зон нагрева, что стало возможным за счет
реализации технологии охлаждения атмосферным воздухом по всей длине зоны
охлаждения;
• длины коллекторов К3 и К4 приведены в соответствие с границей зон
рекуперации и охлаждения.
• между коллекторами К4 и К5, обслуживаемыми одним дымососам Д2,
установлен клапан Др8, позволяющий регулировать окончание процесса
охлаждения. Дымосос Д1 коллектора К5, мощностью 1250 кВт из схемы
исключен (вариант 1, см. рис. 3).
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
3
1300
1200
1100
1000
900
800
даПа
Температура, oC, давление(разрежение) в ГВК,
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Длина, м
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 1. Распределение температур (t) и давлений (разрежений, P) при охлаждении
окатышей нагретым воздухом.
1 – давление; 2, 3 – температура теплоносителя на входе и выходе из слоя; 4,5,6,7 –
температура верха, середины слоя окатышей, на границе «слой-постель» и низа постели,
соответственно.
Температура, oC, давление(разрежение) в ГВК, даПa
1300
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
400
300
200
100
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
Длина, м
1
2
3
4
5
6
7
Рис. 2. Распределение температур (t) и давлений (разрежений, P) при охлаждении
окатышей холодным (атмосферным) воздухом.
1 – давление; 2, 3 – температура теплоносителя на входе и выходе из слоя; 4,5,6,7 –
температура верха, середины слоя окатышей, на границе «слой-постель» и низа постели,
соответственно.
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
4
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
Рис. 3. Теплотехническая
схема
обжиговой
машины
ОК-306У.
t- температура, оС; P – давление даПа; Vо – расход, тыс.нм3/ч; Д1-Д6 – дымососы; 1-34 –
газовоздушные камеры; СГО, МГО – газоочистки.
Несмотря на увеличение производительности машины, зона охлаждения имеет
большой резерв по дутью и в тоже время обеспечивает экономию электроэнергии в связи
с тем, что:
• уменьшается удельных расход воздуха на охлаждение (на ~ 160 нм3/т);
• обратно пропорционально соотношению абсолютных температур уменьшается
фактический объем воздуха (примерно в два раза);
• повышается напор, развиваемых вентилятором, что обеспечивает резерв по
дутью.
Для получения максимального эффекта по экономии ротор существующего
дымососа Д2 должен быть модифицирован, либо дымосос должен быть заменен на другой
с требуемой по расчету характеристикой.
В варианте 2 коллекторы К4 и К5 имеют отдельные дымососы Д1 и Д1’ (оба типа
ВДН-32Б), что более предпочтительно с точки зрения экономии электроэнергии
(исключается дросселирование охлаждающего агента на дросселе Др8) и управления
технологическим процессом [6].
Воздух разбавления (t=870 оС), необходимый для сжигания топлива, поступает в
зоны нагрева прямым перетоком из увеличенной с 9и до 10и камер (ГВК 22-31) первой
секции охлаждения, а воздух горения подается с помощью дымососа Д6 из уменьшенной
с 6 до 3 камер (ГВК 32-34) второй секции охлаждения.
Избыток теплоносителя (тракт дымососов Д3) в количестве 62,7 тыс. м3/ч
сбрасывается в колпак первой секции сушки.
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
5
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
В результате корректировки теплотехнической схемы обжиговой машины, при
одинаковом качестве готовой продукции, будут достигнуты следующие гарантированные
технико – экономические показатели:
База2)
322,3
1,05
13,80
493,4
44,88
Прогноз2)
340,0;
1,11;
14,07;
503,1;
41,78;
• производительность обжиговой машины: -т/ч
удельная, т/м2⋅ч
• удельный расход природного газа, м3/т
• удельный расход тепла прир. газа, мДж/т
• удельный расход электроэнергии, кВт ч/т
• температура окатышей на разгрузке, оС:
максимальная не выше
220
220;
средняя не выше
120
120.
При существующем (01.2004) уровне цен на электроэнергию (0,69054 руб/кВт⋅ч) и
природный газ (1,08453 руб/м3) относительное снижение затрат на энергоресурсы
составит 4,02%.
Основной
экономический
эффект
достигается
за
счет
увеличения
производительности обжиговой машины. При этом затраты на модернизацию обжиговой
машины составят около 4,5 млн. руб, а срок их окупаемости 0,5-0,8 года.
Имеющийся резерв по зоне охлаждения в дальнейшем позволит, как показали
расчеты, без ее модернизации реализовать мероприятия позволяющие:
• увеличить производительность обжиговых машин до 360-370 т/час (1,18-1,21
т/м2⋅ч) за счет усиления тракта дымососа Д4 с заменой дымососа более мощным
и повышения разрежения в ГВК 4-13 до 400-500 даПа в сочетании с
совершенствованием укладки слоя сырых окатышей;
• снизить удельный расход природного газа на 2,5-3,0м3/т за счет оборудования
обжиговых машин инжекционным горелками конструкции ВНИИМТ и довести
его до 11-12 м3/т при удельной производительности машин до 1,18-1,21 т/м2⋅ч;
• оптимизации технологической линии производства сырых окатышей и их
термообработки на конвейерной машине.
Заключение
На основе анализа работы обжиговых машин ОК – 306 Лебединского ГОКа, с
целью модернизации, усовершенствована их теплотехническая схема. Использование
атмосферного воздуха по всей длине безреверсивной зоны охлаждения, отказ на
начальной стадии охлаждения от использования нагретого воздуха позволяет увеличить
ее производительность на 18%, а при оптимальном перераспределении площадей
технологических зон обжиговой машины - увеличить производительность обжиговой
машины на 5-8% и снизить затраты на энергоресурсы. Срок окупаемости затрат на
модернизацию составляет не более 0,5-0,8 года.
03.2005 г.
Наши координаты
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники»
(ОАО «ВНИИМТ»)
620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, д. 16
Буткарев Алексей Анатольевич
Тел./факс: +7 343 383 75 81
Skype: ButkarevAlexey
butkarev@yandex.ru
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
6
ОАО «Научно-исследовательский институт металлургической теплотехники» (ОАО «ВНИИМТ»)
Литература
1. Пути снижения расхода топлива при обжиге окатышей / Абзалов В.М., Евстюгин С.Н.,
Селезнев В.С. и др. // Сталь. - 2002. - №4. - С. 5-7.
2. Абзалов В.М., Горбачев В.А., Евстюгин С.Н. Эффективность модернизации обжиговых
машин ОК-306 и пути дальнейшего совершенствования производства железорудных
окатышей в ОАО «Лебединский ГОК» // Сталь. - 2003. - №1. - С. 6-7
3. Опыт разработки и промышленного применения математических моделей для
управления процессом производства окатышей на конвейерной машине / Майзель Г.М.,
Буткарев А.А., Буткарев А.П., Некрасова Е.В., Дощицын Н.Ф // Специализированный
журнал “Горная промышленность”. – 2000. - №5. – С. 45-47.
4. Основные принципы построения эффективных АСУ технологическими процессами
окускования железорудных материалов / Буткарев А.П., Некрасова Е.В., Буткарев А.А.,
Лисиенко В.Г., Бородин А.А., Жилин С.Н., Малявин Б.Я. // Металлургическая
теплотехника. Сборник научных трудов Национальной металлургической академии
Украины. Том 5. – Днепропетровск: НметАУ, 2002. – С.18-24.
5. АС № 910811. СССР Способ загрузки окатышей / Тверитин В.А., Буткарев А.П.,
Майзель Г.М. и др. заявл. 07.07.80., опубл. 07.03.82, Бюлл. №9.
6. Буткарев А.А., Буткарев А.П. Оптимизация параметров процесса термообработки
окатышей на конвейерных машинах // Сталь. - 2000. - №4. - С. 10-15.
7. Буткарев А.А., Лисиенко В.Г. Пути совершенствования технологического процесса
охлаждения окатышей на конвейерной машине // Информационные технологии и
электроника: Тезисы докладов второй всероссийской студенческой научно-технической
конференции, 15-16 декабря 1997 г. - Екатеринбург: Изд-во УГТУ, 1998. - С. 84-85.
8. Совершенствование технологии и производства окисленных и металлизованных
окатышей на ОМК / Гончаров С.С., Серкин А.Г., Зинягин Г.А., Романенко Л.М. // Сталь. –
1995. - №9. - С. 6-136.
9. Перевезенцева Е.В. Развитие производства железорудных окатышей за рубежом.
Институт «Черметинформация». (Обзорная информация. Серия – Подготовка сырьевых
материалов к металлургическому переделу и производство чугуна). Вып. 3. – М., 1992г.
10.Математическое обеспечение АСУ ТП производства железорудных окатышей на
конвейерных машинах / Буткарев А.П., Майзель Г.М., Некрасова Е.В., Буткарев А.А. //
Сталь. - 1995. - № 4. - С. 67-75.
11.Математические модели для управления процессом производства окатышей на
конвейерной машине / Буткарев А.П., Буткарев А.А., Майзель Г.М., Некрасова Е.В. //
Сталь. - 2000. - №3. - С. 10-13.
© ОАО «ВНИИМТ», 2013. 620137, г. Екатеринбург, ул. Студенческая, 16.
Тел.:+7 (343) 374-03-80, факс:+7 (343) 374-29-23, email: aup@vniimt.ru, сайт: www.vniimt.ru
7