DOI: 10.52150/2522-9117-2024-38-59-102
Муравйова Ірина Геннадіївна, д.т.н., с.н.с., пров.н.с., відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0001-5926-7787. E-mail: irinamuravyova@gmail.com
Чайка Олексій Леонідович, к.т.н., с.н.с., зав. лабораторією, лабораторія теплотехніки і енергозберігаючих технологій (ТЕТ), відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0003-1678-2580. E-mail: chaykadp@gmail.com
Іванча Микола Григорович, с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-5366-9328. E-mail: otosu.to1@gmail.com
Корнілов Богдан Володимирович, к.т.н., с.н.с., лабораторія теплотехніки і енергозберігаючих технологій (ТЕТ), відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З.І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-5544-3023. E-mail: balesan2209@gmail.com
Меркулов Олексій Євгенович, д.т.н., с.н.с., заступник директора, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-7867-0659. E-mail: merkulov1@ukr.net
Нестеров Олександр Станіславович, к.т.н., с.н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-0183-0327. E-mail: asn.dnepr@gmail.com
Гармаш Лариса Іванівна, к.т.н., с.н.с., відділ металургії чавуну, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-6873-6685. E-mail: larysagar@gmail.com
Вишняков Валерій Іванович, н.с., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-5538-6962
Щербачов Вадим Родіонович, м.н.с., аспірант, Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0002-6734-0451
Єрмоліна Катерина Петрівна, пров. інж., Інститут чорної металургії ім. З. І. Некрасова НАН України, площа Академіка Стародубова, 1, Дніпро, 49107, Україна. ORCID: 0000-0001-6819-9886
УЗАГАЛЬНЕННЯ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕНЬ ВПЛИВУ ЗБІЛЬШЕННЯ ВМІСТУ ВОДНЮ В ДУТТІ ТА ЙОГО РОЗПОДІЛУ ПО РАДІУСУ ДОМЕННОЇ ПЕЧІ НА ТЕХНОЛОГІЧНИЙ РЕЖИМ ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ
Анотація. Перспективним шляхом досягнення вуглецевої нейтральності при збереженні традиційної доменної технології виробництва чавуну є розвиток та внесення нових проривних змін у технологію, зокрема, пов’язаних з використанням водню, як відновника та джерела тепла. Використання водневмісного палива при виробництві чавуну призводить до істотних змін у технології доменної плавки, зокрема, теплових та відновлюваних процесів, які протікають у печі. Поглиблення розуміння цих процесів при використанні в дутті водневмісних добавок, наукове обґрунтування раціональної їх кількості з метою забезпечення максимального ступеня використання водню є важливими задачами при розробці науково обґрунтованих технологічних положень використання водню у доменній печі. Розробка цих положень повинна бути заснована на результатах досліджень впливу збільшення вмісту водню в дутті та його розподілу по радіусу доменної печі на технологічний режим доменної плавки, які виконано вченими різних країн. Мета досліджень – узагальнення та систематизація результатів досліджень впливу збільшення вмісту водню в дутті та його розподілу по радіусу доменної печі на технологічний режим доменної плавки. Розглянуто досвід використання водневмісних газів у доменному процесі. Виконано аналіз результатів досліджень з вивчення характеру розподілу водню або водневмісних газів по перерізу печі та їх впливу на технологію доменної плавки, які класифіковані наступним чином: експериментальні дослідження на промислових об’єктах; дослідження на експериментальних доменних печах; чисельні дослідження за допомогою математичних моделей. Результати виконаних експериментальних досліджень на промислових доменних печах та в лабораторних умовах, а також за допомогою математичних моделей показали, що вдування водневмісних газів збільшує продуктивність доменної печі та зменшує витрату коксу. Уявлення про розподіл водню неоднозначні і часом суперечливі. Результати низки досліджень показують, що глибина проникнення H2 обмежена, він в основному концентрується в області стінки печі, піднімаючись з потоком газу, і газ, що вдувається, може не досягати центру доменної печі. Для підвищення ефективності використання відновлювального газу в доменній печі необхідно збільшити глибину проникнення водневмісного газу та контролювати розподіл газового потоку в доменній печі. Згідно з альтернативними думками дослідників, кількість водню зменшується від осі (де значення Н2 максимально) до стінки печі. Процес доменної плавки внаслідок вдування водню, або водневмісних газів зазнає значних змін порівняно з традиційним процесом виплавки чавуну. Тому робота доменної печі з використанням водню потребує оптимізації, одним із основних напрямків якої є програма завантаження шихти стосовно цих умов.
Ключові слова: доменна плавка, декарбонізація, водневмісні гази, розподіл водню або водневмісних газів по перерізу печі.
DOI: https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-59-102
Посилання для цитування: Узагальнення результатів досліджень впливу збільшення вмісту водню в дутті та його розподілу по радіусу доменної печі на технологічний режим доменної плавки / І. Г. Муравйова, О.Л. Чайка, М. Г. Іванча, Б. В. Корнілов, О. Є. Меркулов, О. С. Нестеров, Л. І. Гармаш, В. І. Вишняков, В. Р. Щербачов, К. П. Єрмоліна // Фундаментальні та прикладні проблеми чорної металургії. 2024. Вип. 38. С. 59-102. https://doi.org/10.52150/2522-9117-2024-38-59-102.
Перелік посилань
1. Lan Chenchen, Hao Yuejun, Shao Jiannan, Zhang Shuhui, Liu Ran and Lyu Qing. Effect of H2 on Blast Furnace Ironmaking. Metals. 2022. Vol. 12. No. 11, 1864. https://doi.org/10.3390/met12111864
2. Yanbiao Chen, Haibin Zuo. Review of hydrogen-rich ironmaking technology in blast furnace. Ironmaking & Steelmaking. 2021.Vol. 48, Iss. 6. Р. 749-768. https://doi.org/10.1080/03019233.2021.1909992
3. Xinyu Zhang, Kexin Jiao, Jianliang Zhang, Ziyu Guo. A review on low carbon emissions projects of steel industry in the World. Cleaner Production. Vol. 306, 127259. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2021.127259.
4. Florent Mauret, Mehdi Baniasadi, Henrik Saxe’n, Andreas Feiterna, Stephan Hojda. Impact of Hydrogenous Gas Injection on the Blast Furnace Process: A Numerical Investigation. Metallurgical and Materials Transactions B. 2023.Vol. 54, Р. 2137–2158.
5. Li H., Chen J. An Analysis of Long-Process Ironmaking in a Reduction Smelting Furnace with Hydrogen-Enriched Conditions. Metals 2023. Vol. 13, 1756. https://doi.org/10.3390/met13101756
6. Доменная плавка с вдуванием коксового газа /В. Ф. Пашинский, И. Г. Товаровский, П. Е. Коваленко, Н. Г. Бойков. К. :Тєхника. 1991. 104 с.
7. Li J., Kuang S., Zou R. et al. Numerical Investigation of Burden Distribution in Hydrogen Blast Furnace. Metallurgical and Materials Transactions B. 2022. Vol. 53, Р. 4124–4137. https://doi.org/10.1007/s11663-022-02672-6.
8. Ziguang Zhao, Xiaobing Yu, Yuntao Li, Jinming Zhu, Yansong Shen. CFD study of hydrogen co-injection through tuyere and shaft of an ironmaking blast furnace. Fuel. 2023. Vol. 348, 128641.
9. Shiro Watakabe, Kazuya Miyagawa, Shinroku Matsuzaki, Takanobu Inada, Yukio Tomita, Koji Saito, Masao Osame, Peter Sikström, Lena Sundqvist Ökvist, Jan-Olov Wikstrom. Operation Trial of Hydrogenous Gas Injection of COURSE50 Project at an Experimental Blast Furnace. ISIJ International. 2013. Vol. 53. Iss. 12. P. 2065–2071. https://doi.org/10.2355/isijinternational.53.2065
10. Su Y. H. Development status and suggestions of hydrogen metallurgy in China’s iron and steel industry. China Metall. News. 2021.
11. Tang J., Chu M. S., Li F., Feng C., Liu Z. G., Zhou Y. S. Development and progress on hydrogen metallurgy. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2020, Vol. 27. No. 6. Р. 713–723. https://doi.org/10.1007/s12613-020-2021-4
12. Nathan Barrett, Subhasish Mitra, Hamid Doostmohammadi, Damien O’dea, Paul Zulli, Sheng Chew, Tom Honeyands. Assessment of Blast Furnace Operational Constraints in the Presence of Hydrogen Injection. ISIJ International. 2022, Vol. 62. Iss. 6. P. 1168-1177. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2021-574.
13. Nogami H., Kashiwaya Y., Yamada D. Simulation of Blast Furnace Operation with Intensive Hydrogen Injection. ISIJ International. 2012. Vol. 52 Iss. 8. P. 1523-1527. https://doi.org/10.2355/isijinternational.52.1523
14. Mathematical simulation and life cycle assessment of blast furnace operation with hydrogen injection under constant pulverized coal injection / J. Tang, M. Chu, F. Li, Z. Zhang, Y. Tang, Z. Liu, J. Yagi. J. Clean. Prod. 2021. Vol. 278, 123191. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123191
15. Long H. M., Wang H., Zhao W., Li J. X., Liu Z., Wang P. Mathematical simulation and experimental study on coke oven gas injection aimed to low carbon blast furnace ironmaking. Ironmaking Steelmaking. 2016. Vol. 43, Iss. 6. P. 450–457. https://doi.org/10.1080/03019233.2015.1108480
16. Castro J. A., Takano C., Yagi J.-i. A theoretical study using the multiphase numerical simulation technique for effective use of H2 as blast furnaces fuel Mater. Mater. Res. Technol. 2017. Vol. 6, Iss. 3, Р. 258-270. https://doi.org/10.1016/j.jmrt. 2017.05.007
17. Wang H., Chu M., Bi C., Liu Z., Dai W. Effects of Hydrogen-Enriched Reduction on Metallurgical Properties of Iron-Bearing Burdens Under BF Operation with COG Injection. 8th Int. Symp. on High-Temperature Metallurgical Processing. Springer, Cham, 2017, 21. https://doi.org/10.1007/978-3-319-51340-9_3
18. Tang J., Chu M., Li F., Feng C., Liu Z.-g., Zhou Y.-s. Development and progress on hydrogen metallurgy. Int. J. Miner. Metall. Mater. 2020. Vol. 27. No. 6. Р. 713–723. https://doi.org/10.1007/s12613-020-2021-4
19. Sato Michitaka, Takahashi Koichi, Nouchi Taihei, AriyamaTatsuro. Predictcion of Next-Generation Ironmaking Process Based on Oxygen Blast Furnace Suitable for CO2 Mitigation and Energy Flexibility. ISIJ International. 2015. Vol. 55. Iss. 10. P. 2105–2114. https://doi.org/10.2355/isijinternational.ISIJINT-2015-264
20. Higuchi S., Matsuzaki K., Saito К., Nomura S. Improvement in Reduction Behavior of Sintered Ores in a Blast Furnace through Injection of Reformed Coke Oven Gas. ISIJ Int. 2020. Vol. 60. Iss. 10. P. 2218–2227. https://doi.org/10.2355/ isijinternational.ISIJINT-2020-063
21. Wang H., Chu M., Guo T., Zhao W., Feng C., Liu Z., Tang J. Mathematical Simulation on Blast Furnace Operation of Coke Oven Gas Injection in Combination with Top Gas Recycling. Steel Res. Int. 2016. Vol. 87. No. 5. Р. 1611–3683. https://doi.org/10.1002/srin.201500372
22. Tang J., Chu M., Li F., Zhang Z., Tang Y., Liu Z., Yagi J. Mathematical simulation and life cycle assessment of blast furnace operation with hydrogen injection under constant pulverized coal injection: Journal of Cleaner Production. 2021. Vol. 278, 123191. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123191
23. Okosun T., Nielson S., Zhou C. Blast Furnace Hydrogen Injection: Investigating Impacts and Feasibility with Computational Fluid Dynamics. JOM. 2022. Vol. 74. Р. 1521–1532. https://doi.org/10.1007/s11837-022-05177-4
24. Jing Li, Shibo Kuang, Lulu Jiao, Lingling Liu, Ruiping Zou, Aibing Yu. Numerical modeling and analysis of hydrogen blast furnace ironmaking process. Fuel. 2022. Vol. 323, 124368.
25. Investigating hydrogenous gas injection into the blast furnace shaft and tuyere / M. Baniasadi, F. Mauret, K.-P. Kinzel, P. Bermes, M. Baniasadi, C. Castagnola, H. Saxén, S. Hojda, R. Lin // 8th ECIC & 9th ICSTI Conferences, August 2022, Bremen, Germany.
26. Hiroshi Nogami, Yoshiaki Kashiwaya and Daisuke Yamada. Simulation of Blast Furnace Operation with Intensive Hydrogen Injection. ISIJ International. 2012. Vol. 52. No. 8. Р. 1523–1527.
27. Martino Guilherme, Marchal Emmanuel. The environmental impacts of hydrogen injection in a blast furnace. Консалтинговая фирма, Бразилия. October 07, 2021. https://www.cassotis.com/insights/environmental-impacts-hydrogen-blast-furnace
28. Chu Mansheng, Nogami Hiroshi, Yagi Jun-ichiro. Numerical Analysis on Injection of Hydrogen Bearing Materials into Blast Furnace. ISIJ International. 2004. Vol. 44. Iss. 5. P. 801-808
29. Li, Z., Kuang, S., Yu, A. et al. Numerical Investigation of Novel Oxygen Blast Furnace Ironmaking Processes. Metall Mater Trans B. 2018. Vol. 49. Р. 1995–2010. https://doi.org/10.1007/s11663-018-1259-y
30. Yu X., Shen Y. Numerical Study of the Influence of Burden Batch Weight on Blast Furnace Performance. Metall Mater Trans B. 2020. Vol. 51. P 2079–2094. https://doi.org/10.1007/s11663-020-01924-7.
