Аналитический обзор - ВЭР черной металлургии

Аналитический обзор - ВЭР черной металлургии


Одной из важнейших проблем, стоящих в настоящее время перед отраслями черной и цветной металлургии, а также и перед другими промышленными сферами, является снижение удельных расходов исходных материалов и энергии на единицу производимой продукции, то есть проблема создания и интенсивного развития энерго- и ресурсосберегающих технологий.

  • Дополнительная информация


    • Авторы:

Вторичные энергоресурсы или ВЭР могут быть востребованы непосредственно без изменения вида энергоносителя (для удовлетворения потребности в теплоте и топливе) или с изменением вида энергоносителя путем выработки тепла, электроэнергии, холода или механической работы в утилизационных установках.

Многие отрасли народного хозяйства располагают значительным резервом топливных и тепловых ВЭР, занимающих значительное место в их топливно-энергетическом балансе. Наибольшими тепловыми ВЭР располагают предприятия черной и цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности, промышленности строительных материалов, газовой промышленности, тяжелого машиностроения [1].

Именно в этих отраслях широко используется теплота высокого, среднего и низкого потенциалов. Из почти 90 % теплоты высокого потенциала (> 623 К): около 33 % идет на плавку, 40 % – на нагрев и около 20 % – на обжиг руд и минерального сырья. Большая часть теплоты высокого потенциала обеспечивается за счет сжигания различных видов топлива непосредственно в технологических установках.

Теплота среднего (373 – 622 К) и низкого (323 – 423 К) потенциала применяется для теплоснабжения потребителей, требующих повышенных значений температуры и давления.

Принципиальная схема использования ВЭР, представленная на рисунке 1, иллюстрирует отдельные потоки и сечения, по которым определяются их количественные показатели.

Таким образом, использование вторичных энергоресурсов, неизбежно возникающих в различных технологических процессах, является одним из существенных резервов энергосбережения. Выход вторичных энергоресурсов зависит от целого ряда факторов: параметров, при которых протекает процесс, его режима, конструктивного исполнения технологического оборудования и др. В общем случае суточный (и сезонный) выход ВЭР характеризуется значительной неравномерностью. Поэтому различают показатели удельного и общего выхода ВЭР – максимальный, средний и минимальный (гарантированный), как в суточном, так и сезонном разрезе. В любом случае утилизации ВЭР эффективность их использования определяется достигаемой экономией первичного топлива и обеспечиваемой за счёт этого экономией затрат на добычу, транспортирование и распределения топлива (энергии). Поэтому важное условие экономической эффективности ВЭР – правильное определение вида и количества топлива, которое экономится при их утилизации.

Каждая технологическая установка характеризуется определенным энергетическим КПД, показывающим, какая величина подведенной к процессу энергии теряется. На практике происходит постоянная борьба с потерями, используются самые различные способы их сокращения, в том числе организационно-технические, связанные с наладкой технологических процессов и режимов работы агрегатов, улучшением изоляции технологического оборудования, трубопроводов горячей воды, пара и пр.

Рисунок 1 ­– Схема использования ВЭР

Один из путей снижения потерь – использование возможности возвращения части потерь энергии непосредственно в тот процесс, в котором они образуются. Многочисленные исследования подтверждают энергетическую и экономическую эффективность регенерации и рекуперации энергии. После этого остаются только потери, которые по данной технологии при существующем уровне развития техники уменьшить и избежать нельзя. Эту часть энергетических потерь и принято считать вторичными энергоресурсами, которые обычно подразделяют на горючие, тепловые и избыточного давления.

В целом следует заметить, что использование ВЭР во многих случаях экономически эффективно, поскольку удельные капитальные вложения в установку по утилизации тепловых ВЭР, отнесенные к 1 т сэкономленного топлива, ниже, чем цена топлива с учетом его транспортировки. Поэтому важное значение имеют планирование и стимулирование использования ВЭР.

Для наиболее полного выявления и эффективного использования ВЭР на каждом действующем предприятии, в объединении при разработке паспорта предприятия обеспечивается учет всех образующихся ВЭР, возможных направлений использования и способов их утилизации. Все включаемые в план мероприятия по повышению уровня использования ВЭР должны быть экономически обоснованы. При ограниченности капиталовложений в первую очередь следует предусматривать мероприятия, осуществление которых обеспечивает наибольший экономический эффект.

Экономия топлива зависит от направления использования ВЭР и схем топливо- и энергоснабжения предприятия. При тепловом направлении использования ВЭР экономия топлива определяется путём сопоставления количества тепла, полученного от использования ВЭР, с технико-экономическими показателями выработки того же количества и тех же параметров тепла в основных энергетических установках. При силовом направлении использования ВЭР выработка электроэнергии (или механической энергии) сопоставляется с затратами топлива на выработку электроэнергии (или механической энергии) в основных энергоустановках.

При определении экономической эффективности использования ВЭР сопоставляют варианты энергоснабжения, которые удовлетворяют потребности данного производства во всех видах энергии с учётом использования ВЭР, удовлетворяют те же потребности и без учёта использования ВЭР. Основными показателями сопоставимости этих вариантов служат: создание оптимальных (для каждого из вариантов) условий их реализации; обеспечение одинаковой надёжности энергосбережения; достижение необходимых санитарно-гигиенических условий и безопасности труда; наименьшее загрязнение окружающей среды.

Одно из основных направлений повышения эффективности производства и использование энергетических ресурсов в промышленности – увеличение единичной мощности агрегатов, концентрация производства и создание укрупнённых комбинированных технологических процессов. Особенно это эффективно для технологических процессов с большим выходом тепловых ВЭР, т.е. для предприятий химической, нефтеперерабатывающей, целлюлозно-бумажной и металлургической промышленности. Создание крупных комбинированных производств позволяет использовать ВЭР одних процессов для нужд других, входящих в общий комбинированный комплекс [2].

Развитие энерго- и ресурсосберегающих технологий, помимо улучшения экономических и технических показателей работы агрегатов, будут также способствовать снижению экологической нагрузки на окружающую среду. Использование вторичных энергоресурсов стало одной из перспективных энергосберегающих технологий, получивших наиболее широкое развитие.  

Классификация вторичных энергоресурсов

В соответствии с официальным определением, вторичные энергоресурсы – это энергетический потенциал (запас энергии в виде физической теплоты, потенциальной энергии избыточного давления, химической энергии и др.) продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, которые не могут быть использованы в самом агрегате, но могут частично или полностью применяться для энергоснабжения других потребителей [3].

По виду содержащегося в них энергетического потенциала ВЭР подразделяются на три основных группы:

  • горючие;
  • тепловые;
  • избыточного давления.

Горючие ВЭР – это отходы одного производства, которые могут быть утилизированы непосредственно в виде топлива в других производствах. К ним относятся, например, технологические газы черной и цветной металлургии, жидкие и твердые топливные отходы химической и нефтегазоперерабатывающей промышленности, щепа, опилки, стружка, щелоки деревообрабатывающей и целлюлозно-бумажной отраслей.

Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов, основной и побочной продукции производства, нагретых металла, шлаков и зол, горячей воды и пара, отработанных в технологических установках, системах охлаждения и пр.

Следует отметить, что тепловая энергия отходов, выходящая из технологического агрегата и используемая для подогрева вещественных потоков, поступающих в этот же агрегат (процессы регенерации и рекуперации), ко вторичным энергоресурсам не относятся.

ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия покидающих установку газов, воды, пара, имеющих повышенное давление, которое может быть еще применено перед выбросом в окружающую среду. Основное направление утилизации таких ВЭР – получение электрической или механической энергии.

Многие горючие ВЭР, например черной металлургии, имеют низкую теплоту сгорания и химически агрессивны. Это создает значительные трудности при их утилизации. Они же имеют место и при сжигании высококалорийных, но одновременно легко воспламеняемых, взрывоопасных и токсичных ВЭР (водород, сухие абгазы и др.).

Для утилизации горючих вторичных энергетических ресурсов часто необходимо специальное оборудование, однако основной путь их использования – применение в агрегатах индустриальных технологий.

Тепловые ВЭР – наиболее распространенный вид энергетических отходов. Их утилизация проводится практически повсеместно. В то же время привлекаются в основном высокопотенциальные (высокотемпературные) тепловые ВЭР. Значительно меньше востребованы среднетемпературные энергетические отходы, низкотемпературные применяются еще реже.

Основное оборудование для использования тепловых ВЭР – котлы-утилизаторы (к/у), системы испарительного охлаждения промышленных печей, различного рода теплообменники, в том числе контактные нагреватели.

ВЭР избыточного давления образуются в ряде металлургических, химических, нефтеперерабатывающих производств. Ими могут обладать жидкие и газообразные отходы. Однако их применение пока не носит массового характера (избыточное давление доменного газа используют, например, в газовых бескомпрессорных турбинах) [4].

По температуре, с которой тепловые ВЭР покидают технологические агрегаты, их делят на высоко-, средне- и низкопотенциальные.

Четкой градации ВЭР по этому признаку нет. Можно принять, что к высокопотенциальным относятся ВЭР, температура которых превышает наименьшую температуру газов в автогенном процессе сжигания топлива (не менее 600°С). К низкопотенциальным принадлежат ВЭР, представляющие собой жидкости с температурой менее 100°С и газы с температурой ниже 300°С [5]. В этом случае средне-потенциальные ВЭР по температуре будут занимать промежуточное положение между высоко- и низкопотенциальными энергетическими отходами.

В целом основными источниками тепловых ВЭР в различных отраслях промышленности выступают технологические агрегаты, как правило, недостаточно совершенные с энергетической стороны. Особенно неблагоприятны с точки зрения использования теплоты сгорания топлива нагревательные и термические печи (их тепловой КПД равен 12-18%), вагранки чугунолитейных цехов (теплопотери с газами превышают 50-60%), паровые котлы низкого давления (КПД порядка 50%), паровые молоты кузнечных цехов (КПД не более 2-5%) и др.

Разработка методов и способов утилизации ВЭР промышленных предприятий в нашей стране началась в 20-30-е гг. 20 в. Тогда были заложены теоретические основы энергосбережения и предложены первые технические решения. Наиболее значительные достижения в практике утилизации тепловых отходов приходятся на послевоенные годы (конец 40-х–начало 50-х гг. прошлого столетия).

В 60-х–70-х гг. 20 в. за счет использования ВЭР в стране ежегодно экономилось около 20 млн т условного топлива. Примерно на этом же уровне (около 25 млн т/год) сохранялось энергоснабжение за счет ВЭР в следующие десять лет.

Однако следует отметить, что за этот период объем энергопотребления вырос в 2,4 раза, а общая экономия энергоресурсов снизилась с 270 за 60-70 гг. до 135 млн т/год условного топлива за последующее десятилетие.

Эта негативная тенденция была связана со снижением в 60-х гг. стоимости первичных энергоресурсов за счет массового вовлечения в топливный баланс страны нефти и природного газа.

Начиная с конца 70-х–начала 80-х гг., интерес к использованию ВЭР вновь возрастает, поскольку энергоемкость единицы валового внутреннего продукта в нашей стране существенно (до 11 раз в сравнении с Японией) превысила уже достигнутый за рубежом уровень.

По мере интеграции в мировую экономику и в связи с перспективой вступления страны в ВТО такое положение приводит к все большей неконкурентоспособности нашей продукции на мировом рынке. Именно поэтому в настоящее время одной из важнейших задач народного хозяйства России является всемерное использование ВЭР. Лидируют здесь рассматриваемая далее черная и цветная металлургия, а также некоторые другие секторы материального производства.[4]

Источники образования вторичных энергоресурсов и способы их утилизации

Черная металлургия

Эта отрасль промышленности России занимает первое место по вовлечению вторичных энергетических ресурсов. Их суммарный выход в пересчете на условное топливо равен 30 – 50 млн т/год при максимально возможном показателе утилизации около 20 млн т.

На долю черной металлургии приходится около 40 % тепловых и до 80 % горючих ВЭР, применяемых в промышленности. Потребности предприятий с полным металлургическим циклом в топливе (без угля для коксования) только на 30 – 40 % покрываются за счет его привоза и на 60 – 70 % – вторичными энергетическими ресурсами. Распределение ВЭР по основным переделам черной металлургии и возможное их использование приведены в таблице 1.

Таблица 1 – Распределение ВЭР по основным переделам черной металлургии

 

% к общему по отрасли

% к выходу

Коксохимическое

41,7

90

Доменное

37,0

85

Мартеновское

14,6

60

Прокатное

6,7

40

По отрасли

100

80

К топливным ВЭР черной металлургии относят доменный, ферросплавный и конвертерный газы.

Топливными побочными продуктами металлургического производства являются также коксовый газ, промежуточный продукт углеобогащения и коксовые отсевы.

Коксовый газ, образующийся в процессе коксования угольной шихты, называют прямым. Выход его составляет 400 – 450 м3/т кокса. После удаления из него смолы и воды, извлечения аммиака и бензольных углеводородов он называется обратным. Обратный коксовый газ используется в качестве топлива.

Доменный газ выделяется при выплавке чугуна. Из-за значительного содержания балласта (N2 и CO2) он имеет относительно низкую теплоту сгорания. Основным горючим компонентом газа является CO, что делает газ токсичным и взрывоопасным. Выход газа в среднем составляет 2000 м3/т чугуна.

Ферросплавный газ образуется при выплавке ферросплавов в электрических печах закрытого типа. Газ содержит 70 – 90 % СО и до 5 % других горючих компонентов, что определяет его высокую теплоту сгорания, порядка 9,7 МДж/м3. Выход газа составляет от 300 до 1350 м3/т сплава. Из-за токсичности ферросплавный газ опасно транспортировать на большие расстояния. В настоящее время этот газ используется не полностью. Его применяют для обжига извести, как топливо в котельных.

Конвертерный газ является побочным продуктом кислородно-конвертерного производства стали. Выход конвертерных газов периодичный, зависит от интенсивности продувки кислородом и емкости конвертера. Содержит до 90 % СО, теплота его сгорания 8,8 МДж/м3. Однако в настоящее время из-за цикличности выхода в России конвертерный газ не используется.

Состав и технологические свойства коксового, доменного, генераторного и других газов приведены в таблице 2.

Таблица 2 – Состав и технологические свойства газов [6]

Показатели

Газы

Доменный

Генераторный

Смешанный

Коксовый

Природный

Мазут

Состав сухого газа

 

CO2

12,5

4,0

8,5

2,3

0,62

-

CO

28,5

27,0

20,0

6,6

-

-

CH4

0,2

2,5

9,9

25,0

94,0

-

CnHm

-

0,8

0,9

2,4

2,6

-

H2

1,5

12,0

23,5

58,0

2,0

-

O2

0,1

0,2

0,1

0,2

0,2

-

N2

57,2

53,5

37,1

5,5

1,0

-

Влажность, г/см3

20

50

20

20

-

45

Масса 1 м3, кг

1,32

1,13

0,99

0,48

0,73

-

Плотность по воздуху

1,02

0,92

0,78

0,37

0,57

-

Теплотворная способность сухого топлива, кДж/м3

4040

6238

9211

17375

35336

41156

Расход воздуха, м3/м3

0,80

1,43

2,40

4,65

10,6

12,05

Состав продуктов сгорания,%

           

CO2

24,4

15,3

12,5

7,1

8,7

12,8

O2

0,9

12,0

1,4

1,7

1,7

1,8

H2O

3,5

12,2

16,3

22,7

18,7

12,0

N2

71,2

71,2

69,8

68,5

70,9

73,4

Объем продуктов сгорания, м3/м3

16,5

2,3

3,2

5,32

11,5

-

Температура нагрева,ºC

           

воздуха

1150

1150

1150

1150

1150

1150

газа

1100

1100

1100

-

-

-

Температура горения, ºC

           

калориметрическая

2320

2630

2700

2700

2700

2800

теоретическая

2100

2250

2360

2420

2410

2430

 

Несколько иначе обстоит дело с использованием тепловых отходов. Не все и не всякие потери тепла в технологических агрегатах возможно и экономически целесообразно использовать. Наиболее ценными для утилизации тепла являются те теплоносители, которые обладают следующими особенностями:

  • непрерывностью поступления;
  • высоким температурным потенциалом;
  • большой количественной концентрированностью.

К ним относят: тепло готового продукта, тепло отходящих газов, тепло, отводимое при охлаждении элементов печей.

Готовая продукция переделов черной металлургии (кокс, чугун, сталь, прокат), а также шлаки доменного и сталеплавильного процесса обладают двумя из указанных выше особенностей: температура их составляет 1200 – 1700 ºС и доля уносимого физического тепла в балансе агрегатов от 5 до 50 %.

Уходящие газы металлургических печей по возможности утилизации самые ценные тепловые ВЭР. Тепло уходящих газов может быть использовано для нагрева шихты, воздуха, топлива, для получения пара и электроэнергии. Большинство печей оборудовано теплоутилизационными установками: рекуператорами, котлами-утилизаторами и другими установками.

С целью увеличения срока службы отдельные детали печей подвергаются принудительному охлаждению. Потери тепла с охлаждением в ряде случаев составляют 10 – 20 %. Это тепло может быть использовано в системах испарительного охлаждения (СИО), которыми оборудуют мартеновские, доменные, нагревательные печи. В СИО вырабатывается насыщенный пар давлением до 4 МПа.

Потери тепла с готовым продуктом в черной металлургии характеризуются следующими показателями, ГДж на 1 т продукции: с агломератом 0,63, с коксом (после печи) 1,26, с жидким чугуном 1,05, с жидкой сталью 1,26, с жидким шлаком 0,84, с прокатом 0,5.

Физическое тепло горячих продуктов в общем случае может быть использовано по одному из следующих вариантов:

  • регенерация тепла с его возвратом в данный процесс;
  • технологическое использование тепла в последующем процессе;
  • энергетическое использование тепла.

Для металлургического производства наиболее характерно последующее технологическое использование тепла. Так, жидкий чугун, полученный в доменной печи, поступает в мартеновские печи или конвертеры. В этом случае физическое тепло чугуна доменных печей входит в тепловой баланс последующего передела в качестве одной из приходных статей. Использование тепла жидкой стали возможно установках прокатного цеха или в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

На металлургическом предприятии с полным циклом можно выделить следующую структуру выработки и возможного использования ВЭР, (Рисунок 2) [7].

Эффективное использование ВЭР позволяет замещать покупные ТЭР, что значительно снижает энергоемкость и себестоимость продукции. Так, например:

  • использование коксового, доменного газа на собственной ТЭЦ позволяет значительно снизить до 2 – 3 раз себестоимость электроэнергии и пара;
  • утилизация теплоты при сухом тушении кокса (УСТК) на котлах-утилизаторах с установкой паровых турбин для выработки электроэнергии;
  • предварительный подогрев угольной шихты отходящими газами позволяет снизить расход топлива на 70 Мкал на 1 т кокса;
  • в доменном производстве утилизация ВЭР позволяет значительно снизить затраты ТЭР на 1 т чугуна (до 3,5 Гкал/т), уровень утилизации на сегодня составляет ~ 30 – 32 %;
  • в электросталеплавильном производстве удельный расход электроэнергии на (15 – 30 %) выше, чем в странах ЕС, что связано с реализацией устаревшей технологии и значительными неиспользованными возможностями по энергосбережению;
  • использование доменного или коксового газа в нагревательных печах прокатного производства позволяет существенно снизить расход природного газа и до 20 % снизить себестоимость продукции.

Рисунок 2 – Структура выработки и утилизации ВЭР в черной металлургии

Ежегодно за счет использования тепловых ВЭР экономится до 10 % привозного топлива (природного газа, мазута, угля). Количество тепловой энергии, выработанной за счет утилизации ВЭР, в общем балансе потребления металлургических заводов составляет 30 %, а на некоторых заводах до 70 %. [8].

Агломерационное производство

Агломерационное производство металлургических предприятий России располагает значительным количеством неиспользуемых ВЭР или используемых недостаточно.

К ВЭР агломерационного производства относят тепло воздуха, охлаждающего агломерат, и агломерационных газов. Удельная выработка ВЭР при использовании теплоты воздуха, охлаждающего агломерат, составляет по достигнутым за рубежом данным 0,11 Гкал, а при использовании агломерационных газов – примерно 0,035 Гкал на 1 т агломерата. Системы утилизации тепла с выработкой пара и электроэнергии получили широкое применение в Японии и ряде других стан.

В России таких установок по использованию ВЭР нет. Выполненные Гипромезом разработки системы утилизации тепла воздуха охладителей агломерата для условий Западно-Сибирского металлургического комбината (ЗСМК) показали, что их внедрение позволит полностью обеспечить теплоснабжение агломерационного производства и, кроме того, вырабатывать в час не менее 5 – 8 МВт электроэнергии.

Рекомендуется головные установки тепла воздушных охладителей агломерата осуществить в ближайшие годы на ЗСМК и Новолипецком металлургическом комбинате (НЛМК).[9]

Коксохимическое производство

К ВЭР коксохимического производства относятся:

  • теплота раскаленного кокса;
  • физическая теплота коксового газа;
  • теплота дымовых газов коксовых печей;
  • теплота воды систем охлаждения холодильных установок;
  • горючие газы и тепловые отходы химических цехов.

Традиционная схема производства кокса, интегрированная в состав металлургического предприятия представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 – Схема производства кокса

Коксовый газ – третий крупный источник горючих ВЭР черной металлургии. Из 1 т сухой шихты, помимо 750 – 800 кг кокса, получают 320 – 330 м3 коксового газа, а также 33 кг каменноугольной смолы, 80 – подсмольной воды, 11 – сырого бензола, 3 – аммиака, которые перерабатывают в химические продукты. Из искусственных газообразных топлив (доменного, смешанного, конвертерного, генераторного) коксовый газ обладает наибольшей теплотой сгорания (свыше 17 тыс. кДж/м3).

Следует отметить в целом высокий выход ВЭР в коксохимическом производстве (около 80 % от первичного энергопотребления). Это, прежде всего, энергетический потенциал коксового газа, выполняющего функции теплового и горючего ВЭР, а также физическое тепло кокса (тепловой ВЭР, не относящийся к газовым).

Потенциал коксового газа как теплового ВЭР определяется тем обстоятельством, что он покидает печь с температурой 700 – 800 °С и его теплосодержание составляет около 1000 МДж/т кокса, или до 30 % расхода тепла.

Физическую теплоту коксового газа отбирают на разных стадиях охлаждения: в стояках коксовых камер – от 700 – 800 до 400 °С; в газосборниках – от 400 до 82 °С; в первичных холодильниках – от 82 до 30 °С. Используется теплота первой и третьей стадий.

Для утилизации теплоты первой стадии стояки оборудуют теплообменниками, через которые в замкнутом контуре циркулирует теплоноситель. Его теплота может направляться для получения пара, горячей воды, нагрева органических теплоносителей. Теплота третьей стадии охлаждения применяется для подогрева улавливающих растворов цеха сероочистки коксового газа.

Физическая теплота кокса, выгружаемого из камеры, составляет порядка 50 % от расходуемой на коксование. Ее утилизируют при сухом тушении кокса, т.е. при охлаждении последнего в камере циркулирующим инертным газом (азотом). Нагревшись до 750 – 800 °С, газ поступает в теплообменник вторичного теплоносителя (паровой котел, воздухо- или газоподогреватель, подогреватель угольной шихты или сочетание различных теплоиспользующих аппаратов и силовых установок).

Наибольшее распространение получило сухое тушение кокса с подачей теплоты в котельные установки для выработки пара (давление в перегретом состоянии до 39 МПа, температура 440 °С). Охлажденный до 150 – 170 °С газ очищается в циклонах от пыли и возвращается в камеру тушения.

Сухой способ тушения позволяет утилизировать более 80 % теплоты раскаленного кокса.

После охлаждения в системе отбора теплоты коксовый газ проходит сложную систему очистки от смол, аммиака и бензола [10]. После этого его отправляют в газгольдер, а оттуда потребителю топлива – непосредственно или через газосмесительную станцию.

Другим источником экономии тепла является использование потенциала дымовых газов, выходящих из регенеративных теплообменников коксовых печей с температурой 350 °С. Были проведены некоторые исследования на примере Кемеровского предприятия ОАО «Кокс». Ориентируясь на общие принципы определения количества теплоты, которое можно утилизировать с понижением потенциала газов до температуры 110 °С, расчеты показали, что рационально используется 4,1 МВт. Пересчитывая эту величину на расход условного топлива для получения указанного количества теплоты, то представляется следующая картина: годовой расход – 43 тыс. т, а в денежном выражении экономия составит 17 млн. рублей в год [11].

Доменное производство

Источниками ВЭР доменного производства являются:

  • доменный газ в качестве топлива;
  • физическое тепло чугуна;
  • физическое тепло шлака;
  • физическое тепло доменного газа;
  • тепло охлаждающей воды;
  • тепло отходящих газов воздухонагревателей (15 – 20 % от расхода тепла на подогрев дутья).

Наиболее мощным вторичным энергетическим ресурсом является доменный, или, точнее, колошниковый газ. В частности, за счет его сжигания в газовом балансе металлургических предприятий покрывается 35 – 45 % потребности в теплоте. Основные характеристики колошникового газа представлены в таблице 3

Таблица 3 – Характеристики колошникового газа

Наименование параметра

Значение

Температура (°С)

175 – 250

Выход (м3/т чугуна)

1100 – 2200

Теплота сгорания (МДж/м3)

~ 4

Давление на колошнике (МПа)

До 4

В состав колошникового газа обычно входит 23 – 40 % CO, 12 – 22 % CO2, 1,5 – 6,0 % H2, остальное – азот.

Очищенный от пыли [12] колошниковый газ применяется главным образом в доменных воздухонагревателях, энергетических котлах, для отопления коксовых батарей, нагревательных колодцев и печей прокатного производства. В данных случаях реализуется его горючий и тепловой потенциалы. Первый обусловлен горением СО до СО2.

Кроме того, доменный газ, обладая избыточным давлением, используется также в газовых бескомпрессорных турбинах. В 80-е гг. 20 в. себестоимость электроэнергии, вырабатываемой в них, была в 1,5 – 2,0 раза ниже получаемой на ТЭЦ завода и в 3,0 – 3,5 раза меньше, чем в единой энергетической системе (срок окупаемости не более двух лет).

В США, Японии, Великобритании, Франции, Германии имеются десятки газотурбинных установок, работающих на колошниковом газе. Германия, установив, в частности, газовые турбины на всех крупных доменных печах, ежегодно вырабатывает на них до 360 млн кВт•ч электроэнергии.

К ВЭР доменного производства относится также теплота отходящих газов воздухонагревателей, составляющая 15 – 20 % от ее расхода на подогрев доменного дутья. Их температура колеблется в пределах 150 – 600 °С. Они могут быть использованы для выработки пара, горячей воды или для подогрева доменного газа перед входом в газовую турбину.

Каждый вторичный источник энергии имеет определенный коэффициент использования, который представляет собой отношение фактически используемого потенциала к общему выходу. Наибольший коэффициент использования характеризует химическую энергию доменного газа – 95 %. У других ВЭР степень использования значительно ниже. Так, тепло шлаков и тепло уходящих газов воздухонагревателей в настоящее время вовсе не используются. Для использования физического тепла отходящих газов воздухонагревателей разработана установка, представляющая собой систему трубчатых теплообменников, в которых нагревают воздух и доменный газ, подаваемые в горелки воздухонагревателя, до 200 – 300 ºС. Степень использования физического тепла чугуна на разных заводах колеблется в пределах 60 – 85 %. Физическое тепло доменного газа не используется, так как после применяемой мокрой газоочистки газ поступает при низкой температуре. Тепло охлаждения печи может быть использовано при замене водяного охлаждения испарительным. В среднем коэффициент использования тепловых ВЭР доменного производства составляет 30 %. [13].

Сталеплавильное производство

Вторым (после доменного) по значению источником оксида углерода на предприятиях черной металлургии является конвертерный газ. Его усредненный состав при плавке с верхней и нижней продувкой, %: 67 – 79 СО, 13 – 16 СО2, по 0 - 3 Н2 и Н2О, 5 - 14 N2. Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м3 при его температуре на выходе из конвертера 1400 – 1600 °С.

Расчеты показывают, что на крупном заводе с производительностью порядка 7 млн т/год конвертерной стали выход газа составляет ~ 570 млн т/год, или около 130 млн м3 в пересчете на природный газ (при теплотворной способности последнего на уровне 40 МДж/м3). Таким образом, при выплавке 1 т стали с конвертерными газами выносится энергетический потенциал, равный 17 – 20 м3 природного газа.

На эффективность использования ВЭР конвертеров существенное влияние оказывает способ отвода газов от них. В настоящее время применяют три варианта:

  • с полным дожиганием СО перед котлом-утилизатором, т.е. с утилизацией физического тепла конвертерных газов и их энергетического потенциала. В этом случае в атмосферу сбрасывается обеспыленный охлажденный газ, содержащий СО2, О2, N2 и пары воды;
  • с частичным дожиганием СО перед котлом-утилизатором (при коэффициенте α расхода воздуха, равном 0,3 – 0,6) и полным его сжиганием на «свече» при сбросе газов в атмосферу. В данном варианте используется их физическое тепло и, частично, энергетический потенциал;
  • без дожигания СО перед котлом-утилизатором и его сжиганием на «свече» при сбросе газов в атмосферу (отечественная практика) или применением в качест-ве топлива (иностранный опыт). В первом случае утилизируется лишь их физиче-ское тепло (при α = 0).

В любом из рассмотренных вариантов очистка газов производится после их использования в котле-утилизаторе.

Схема утилизации тепла конвертерных газов с полным их дожиганием перед к/у применяется для агрегатов с емкостью садки по стали до 150 т. Сжигание осуществляется в газоходах паровых котлов. В этой схеме серийные котлы-утилизаторы, или ОКГ (охладители конвертерных газов), имеют производительность по пару 160 – 210 т/ч при его пиковом давлении до 5 МПа.

В связи с внедрением в промышленность большегрузных конвертеров емкостью до 400 т стали и связанным с этим увеличением объема вдуваемого кислорода количество выделяющихся газов значительно возрастает. Их дожигание приведет к такому росту объема продуктов сгорания, который существенно увеличит габаритные размеры и стоимость всей установки. В этих условиях рациональной является система газоотвода без дожигания.

В котлах ОКГ-400 (цифра – масса садки металла в конвертере) паропроизводительность достигает 325 т/ч (в максимальном режиме).

Полагают, что системы ОКГ без дожигания целесообразны также для конвертеров с донной и комбинированной продувкой [13].

Охлажденный в ОКГ и очищенный конвертерный газ может улавливаться (направляться в газгольдер). В этом случае, в соответствии с иностранной практикой, газ поступает в струйные охладители и полые скрубберы, затем в трубы Вентури и далее в центробежные скрубберы (мокрые циклоны), после которых попадает в газгольдер. Такие системы улавливания конвертерного газа с усреднением его состава и расхода в газгольдерах (мокрых или сухих) и последующим использованием в качестве топлива весьма распространены за рубежом. В Японии ими оборудовано около 90% работающих конвертеров.

Мокрые газгольдеры представляют собой емкость для воды, над которой размещен резервуар телескопической конструкции (верх ее способен подниматься, увеличивая объем резервуара). Схема мокрого газгольдера представлена на рисунке 4 [14].

Рисунок 4 – Схема оснащения мокрого газгольдера:

1 – сливной бак; 2 – пароструйный элеватор; 3 – поршневой насос; 4 – клапанная коробка; 5 – гидравлический затвор; 6 – запорная арматура; 7 – подъемное устройство; 8 – переливной карман; 9 – труба сброса газа; 10 – колпак; 11 – перепускное устройство; 12 – продувочная труба; 13 – люк; 14 – центральная продувочная труба; 15 – бетонные грузы; 16 – кольцевая площадка с перилами; 17 – колокол; 18 – чугунные грузы; 19 – телескоп;20 – лаз; 21 – резервуар; 22 – газовый стояк; 23 – штуцер (диаметром 6 мм) для установки U -образного манометра.

В сухих газгольдерах поршень поднимается и опускается в результате изменения объема газа. Его верхнее положение соответствует полному заполнению газгольдера. Сухой газгольдер советской конструкции имеет цилиндрический корпус, цилиндрический поршень и стальную кровлю. Основное отличие отечественных сухих газгольдеров от немецких состоит в конструкции уплотняющей системы. Схема сухого газгольдера представленна на рисунке 5 [15].

Рисунок 5 – Схема сухого цилиндрического газгольдера емкостью 100000 м3 (размеры в мм)


1 – площадка фонаря; 2 – шайба в верхнем положении: 3 – шайба на опорах; 4 – обшивка; 5 – цепная лестница; 6 – подъемная клеть; 7 – наружный подъемник; 8 – подвод газа

Вместимость газгольдеров составляет от 30 до 70 тыс. м3 при производи-тельности конвертеров 150 – 330 т.

Отметим, что на отечественных заводах конвертерный газ не улавливается.

В целом его энергетический потенциал в настоящее время используется лишь частично и только в самом конвертерном производстве. В качестве причин, сдерживающих полную утилизацию этого газа, обычно указывают нестабильность его выхода, изменяющийся по ходу плавки состав, взрывоопасность при содержании в нем 12,5 – 75 % СО [4].

У мартеновских печей теплота продуктов сгорания равна 12,5 ГДж/т стали. Отходящие газы мартеновских печей состоят из продуктов сгорания топлива и газообразных компонентов химических реакций, протекающих в технологическом процессе. Выход газа равен 60 – 80 м3 на тонну стали, запыленность его 10 – 15 г/м3. Температура непосредственно за ванной – 1650 °С, за регенераторами 600 – 850 °С.

Если рассматривать тепловой баланс мартеновской печи, можно увидеть, что сталь уносит с собой около одной пятой тепла. Это тепло может быть использовано в дальнейшем производстве при непрерывной разливке стали или при горячем посаде слитков в нагревательные колодцы.

Более 50 % расходной части составляют две статьи баланса: тепло уходящих газов и тепло охлаждения конструкции печи.

Наиболее рациональная схема утилизации тепла уходящих газов комбинированная, когда за регенераторами, в которых часть тепла используется для подогрева воздуха для горения, устанавливают котёл-утилизатор для получения бестопливного пара. Температура газов за регенераторами 500 – 850 ºС, поэтому котлы-утилизаторы выбирают конвективного типа. За котлами устанавливают дымососы, без которых конвективный котёл с большим аэродинамическим сопротивлением не может работать. Одновременно дымосос даст возможность существенно повысить тепловую мощность мартеновской печи [16].

Пар, вырабатываемый в к/у мартеновского производства, имеет высокие параметры и полностью используется в основном для технологических нужд.

Установка к/у за большегрузной мартеновской печью экономит 25 – 40 тыс. т усл.т./год.

На охлаждение конструкций мартеновской печи расходуется 10 – 20 % тепла. Особенно увеличиваются потери тепла, когда разрушается огнеупорная облицовка. В мартеновской печи охлаждаются около 25 деталей конструкции: кессоны газовых пролётов, фурмы и форсунки, рамы завалочных окон и др.

На ряде печей для защиты огнеупорной кладки устанавливают охлаждаемые экраны на задних торцевых стенках.

Как правило, для мартеновских печей применяют системы испарительного охлаждения с естественной циркуляцией.

В электросталеплавильных печах газы образуются в процессе химических реакций. При использовании топливно-кислородных горелок к газам добавляются продукты сгорания топлива. Температура газов до разбавления воздухом составляет 1600 – 1800 °С, запыленность – 50 – 60 г/м3 [17].


Вторичные энергоресурсы гидро- и теплоэлектростанций

Вторичные энергоресурсы имеются также на тепло- и гидроэлектростанциях. На ГЭС отходы теплоты образуются в результате тепловыделения в электрогенераторах. Для ТЭС наиболее существенный источник ВЭР – низкопотенциальная теплота нагретой охлаждающей воды конденсационных устройств, с которой может теряться до 50 % теплоты топлива, расходуемого на электростанции. Источником ВЭР считаются также дымовые газы котельных установок на паротурбинных станциях или отходящие продукты сгорания в газотурбинных установках. Источником ВЭР может быть и нагретая охлаждающая вода из системы охлаждения генераторов электростанций. Значительные тепловые отходы имеются на АЭС: теплота конденсата, охлаждающих систем.

ВЭР электростанций по своей величине значительно меньше, чем в промышленных предприятиях, и непрерывно уменьшаются по мере повышения экономичности энергопроизводства.

Таблица 4 – Характеристика вторичных энергетических ресурсов электростанций

ВЭР

Качественные параметры энергоресурсов

Тепловые электростанции

 

Нагретая охлаждающая вода конденсационных устройств турбин

tв ≤ 25 – 30 °С

Отходящие дымовые газы котлоагрегатов

tо.г. ≥ 100 °С

Отходящие газы и нагретая охлаждающая вода газотурбинных электростанций

tо.г. ≥ 100 °С

tв ≥ 25 – 30 °С

Нагретая охлаждающая вода из системы охлаждения электрических генераторов

tв ≥ 25 – 30 °С

Гидроэлектростанции

 

Нагретая охлаждающая вода из системы замкнутого охлаждения генераторов

tв ≥ 25 – 30 °С

Нагретый воздух из системы разомкнутого воздушного охлаждения электрических генераторов

tв ≤ 60 – 65 °С

Одним из весьма перспективных направлений использования тепла слабо нагретых вод является применение так называемых тепловых насосов, работающих по тому же принципу, что и компрессорный агрегат в домашнем холодильнике. Тепловой насос отбирает тепло от сбросной воды и аккумулирует тепловую энергию при температуре около 90 °С, иными словами, эта энергия становится пригодной для использования в системах отопления и вентиляции [20].


Промышленность строительных материалов

В промышленности строительных материалов тепловые газовые ВЭР образуются при обжиге цементного клинкера, извести, керамических изделий, производстве стекла, кирпича, огнеупоров, теплоизоляционных, железобетонных и других изделий. Потери теплоты здесь иногда достигают 40 – 50 %. В целом вторичные энергетические ресурсы этой отрасли оцениваются в несколько миллионов тонн условного топлива.

К наиболее мощным источникам ВЭР промышленности строительных материалов относятся уходящие газы печей обжига цементного клинкера с температурой 1000 – 1100 °С. Основная их доля утилизируется для предварительного подогрева исходной сырьевой смеси при сухом способе производства клинкера. Подогрев можно осуществить несколькими способами, в том числе:

а) в циклонном теплообменнике отходящими газами печей до 800 – 850 °С с декарбонизацией шихты на 30 - 40%;

б) на конвейерных машинах (печи Леполь).

Вынос весьма эндотермичных процессов декарбонизации, требующих до 60 % необходимого для получения клинкера тепла, из обжиговой печи приводит к резкому снижению расхода топлива: с 5200 – 6700 (мокрый способ) до 3000 – 4200 кДж/кг клинкера. Удельная производительность печи при этом возрастает вдвое, что позволяет применять более короткие агрегаты.

Второй по мощности источник ВЭР в производстве строительных материалов – газы печей для обжига известняка. Они состоят главным образом из продуктов сгорания топлива и образующихся при разложении известняка. Их выход при использовании вращающихся печей равен 2500 – 3000 м3/т (температура 750 – 800 °С).

Для уменьшения расхода топлива и утилизации тепла отходящих газов за вращающимися печами устанавливаются подогреватели (шахтные, ступенчатые, циклонные и др.), в которые направляют предназначенные для обжига кусковые материалы. Отсюда с температурой 500 – 700 °С они поступают в печь, а из нее попадают в холодильник барабанного типа. При таком варианте расход тепла на обжиг снижается с 5900 – 7300 до 4600 – 5000 кДж/кг извести.

При другом прогрессивном способе обжига (в печи кипящего слоя) получаемая известь поступает в холодильник, где охлаждается воздухом и передается на склад. Подогретый воздух из холодильника поступает в газогорелочное устройство.

Известно использование теплоты отходящих газов керамзитовых печей для отопления и вентиляции производственных помещений. Установка способствует также улучшению условий труда рабочих на складах глины и транспортных галереях [21].

Определение параметров вторичных энергетических ресурсов

Как показывает сделанная выше характеристика вторичных энергоресурсов, использование этих энергоресурсов может значительно уменьшить расчетные тепловые и электрические нагрузки энергопроизводящих установок, работающих на топливе.

При этом ряд вторичных энергоресурсов, например, отработавший производственный пар, нагретая охлаждающая вода, пар испарительного охлаждения, может быть непосредственно использован для покрытия средне- и низкотемпературных тепловых нагрузок, т. е. без применения для этой цели специальных энергопроизводящих установок.

Поэтому, при составлении вариантов энергоснабжения предприятия, необходимо в каждом из вариантов определять в первую очередь наиболее рациональное использование получаемых вторичных энергоресурсов. В остальной части потребности предприятия в разных видах энергии должны покрываться от установок, работающих на первичных энергоресурсах.

Для этого, после установления потребностей предприятия в энергии, в каждом из вариантов энергоснабжения должны определяться сперва начальные качественные и количественные параметры вторичных энергоресурсов.

К качественным параметрам вторичных энергоресурсов относятся начальные температуры (t, °C) и давление (р, атм) соответствующего теплоносителя и его удельная теплоемкость (с, ккал/кг ∙ град или ккал/нм3 ∙ град) или рабочая низшая теплота сгорания (Qрн ккал/кг или ккал/нм3).

Основными количественными параметрами вторичных энергоресурсов являются максимальное и среднее часовые количества этих теплоносителей за характерные зимние и летние рабочие сутки, а также годовые количества.

В частности, для наиболее значительного из вторичных энергоресурсов промышленности – отходящих горячих газов промышленных печей — количество тепла в отходящих газах (Qо.г.) определяется следующим образом:

Q о.г. = V о.г.∙ t о.г.∙ cг ∙ B ∙ i о.г. [ккал/ч], (1)

где: V о.г. – количество газов, нм3/ч; t о.г. – температура отходящих газов, °С; cг – средняя теплоемкость газов, ккал/нм3∙град; В – часовой расход топлива печью, кг/ч или нм3/ч; i о.г. – удельная энтальпия отходящих печных газов, ккал/кг топлива или ккал/нм3 топлива, при этом:

i о.г. = υ о.г.∙ t о.г.∙ cг

здесь υ о.г. – количество отходящих газов на кг или нм3 топлива.

Средняя теплоемкость при постоянном давлении для дымовых газов типового состава (сг) и воздуха (св) может приближенно определяться по следующим формулам:

сг = 0,32 + 0,000039 ∙ tг [ккал/нм3 ∙ град]; (2)

св = 0,31 + 0,000026 ∙ tв [ккал/нм3 ∙град], (3)

где tr и tв — температуры дымовых газов и воздуха, °С.

Начальное количество тепла отработавшего производственного пара (Qо.п.) по выходе из производственных агрегатов:

Q о.п. = D о.п. ∙ i о.п. [ккал/ч], (4)

где Dо.п. – количество отработавшего производственного пара, кг/ч; iо.п. – удельная энтальпия отработавшего пара, ккал/кг.

Аналогично определяется начальное количество тепла вторичного производственного пара и пара испарительного охлаждения.

Начальное количество тепла нагретой охлаждающей воды, выходящей из производственного агрегата,

Qо.в. = В о.в.∙ tн ∙ с [ккал/ч], (5)

где Во.в. – количество охлаждающей воды, кг/ч; tн – температура нагретой охлаждающей воды, °С; с — удельная теплоемкость воды, ккал/кг∙град.

По формуле, аналогичной формуле (5), определяется также количество тепла в горячей сливной воде.

Количество тепла в горючих отходах технологических производств

Qг.о. = В г.о. ∙ Q г.о. [ккал/ч], (6)

где Вг.о.– количество горючих отходов производства, кг/ч; Qг.о. – рабочая низшая теплота сгорания горючих отходов, ккал/кг.

Начальные качественные и количественные параметры вторичных энергоресурсов являются исходными данными для составления в дальнейшем соответствующих подвариантов использования вторичных энергоресурсов и выбора наиболее рационального из них в каждом из рассматриваемых вариантов энергоснабжения предприятия.


Современные отечественные и зарубежные технологии утилизации ВЭР

Система утилизации отходящих газов агломерационной установки

Для обеспечения доменного производства достаточным количеством высококачественного и недорогого сырья фирма Huttenwerke Krupp Mannesmann GmbH (HKM) разработала новый процесс утилизации отходящих газов агломерационных установок. Новый процесс LEEP позволит минимизировать количество выбросов в атмосферу и энергопотребление агломерационных установок без снижения качества продукции и производительности оборудования. Оборудование для реализации агломерационного процесса LEEP было установлено на агломерационной установке фирмы НКМ в 2001 г. С декабря 2001 г. система находится в постоянной эксплуатации.

Из-за характера протекания процесса агломерации концентрация различных компонентов в отходящих газах отличается по длине агломерационной ленты. На первой стадии процесса происходит, главным образом, удаление из железорудной шихты воды. Вторая стадия характеризуется повышенной концентрацией оксидов серы, хлористых соединений, диоксинов/фуранов.

Количество выделяемого монооксида и двуокиси углерода, а также оксидов азота распределено равномерно по всей длине агломерационной ленты. После удаления воды на первой стадии агломерационного процесса происходит повышение температуры отходящих газов на второй стадии до максимально возможного значения в зоне окончательного спекания агломерационного слоя.

В отличие от других процессов утилизации отходящих газов процесс LEEP позволяет собрать все отходящие газы на второй стадии и рециркулировать их в систему для последующего использования на всей длине агломерационной ленты. Необходимый для горения кислород – это в основном остаточный кислород отходящих газов. При рециркуляции отходящих газов пыль отфильтровывается в агломерационный слой, оксиды азота и диоксины/фураны частично разрушаются, оксиды серы, а также сернистые соединения абсорбируются. Монооксид углерода в рециклируемом газе (в результате окисления при горении) и физическое тепло могут использоваться для последующего нагрева, что позволяет уменьшить энергопотребление от внешних источников агломерационного процесса.

Благодаря рециркуляции отходящих газов второй стадии процесса на выброс в атмосферу поступает газ первой стадии, содержащий вредные соединения в меньшей концентрации. Это обеспечивает значительное снижение количества отходящих газов и вредных выбросов. Концентрация вредных соединений определяется абсорбционной и окислительной способностью агломерационного слоя.

Оборудование. Площадь зоны всасывания агломерационной установки фирмы НКМ составляет 420 м2. Имеются два расположенных параллельно агломерационной ленте основных трубопровода отходящих газов. Для разделения двух отводящих зон была установлена перегородка с целью полного отделения магистрального трубопровода отходящих газов от зон, расположенных в конце агломерационной ленты, что обеспечивает отвод отходящих газов только с ее первой половины. Заслонки отделяют воздушные камеры переднего участка ленты от второго магистрального трубопровода отходящих газов, это обеспечивает отвод газов только из зон, расположенных в конце ленты. Из-за возможности изменения параметров технологического процесса четыре воздушные камеры (всего 29) в середине агломерационной ленты могут при необходимости подключаться к циркулирующей или отводящей магистрали.

Перед поступлением обоих газовых потоков в один из электрофильтров они проходят через теплообменник. Выравнивание температур газовых потоков (перед теплообменником – 200/165 °С, после теплообменника – 150/115 °С) позволяет эксплуатировать существующие вентиляторы отходящих газов при том же самом значении температур, как и при традиционном агломерационном процессе. Кроме того, перед теплообменником в зоне, в которой холодный газ переднего участка ленты достигает температуры точки росы, расположены газовые трубы. Уровень температур во всех дополнительных газовых трубах превышает точку росы кислот. Охлаждение горячих газов, циркулирующих с температурой около 150 °С, гарантирует, что свойства агломерата не ухудшатся.

После прохождения потока отходящих газов через электрофильтры и вентиляторы циркулирующий технологический газ подается обратно на агломерационную ленту через дополнительный вентилятор с контролируемым уровнем скорости. Отходящие газы с первого участка агломерационной ленты выводятся в атмосферу через выводную трубу.

Все 12 вытяжных кожухов предназначены для подачи циркулирующего газа обратно на агломерационную ленту, которая полностью закрыта кожухами по всей длине, начиная с зоны зажигания и заканчивая выходным участком. Последний кожух можно снимать для проведения операции замены паллет. Фирма НКМ разработала систему герметизации между паллетами и кожухом. Регулируя положение перегородки между циркулирующим и отходящим потоками газов и тем самым изменяя подачу газа, можно создавать отрицательное давление в кожухах. Процесс распределения газа вдоль агломерационной ленты можно оптимизировать путем использования клапанов, установленных в газовых трубах перед кожухами.

Рисунок 6 – Схема процесса LEEP

1 – вторичный вентилятор, 2 – главный вентилятор 2 , 3 – выводящая труба, 4 – главный вентилятор, 5 – теплообменник

Средняя производительность агломерационной установки находится на уровне 4,4 млн. т агломерата в год. Все качественные показатели агломерата остались неизменными за счет увеличения фракционного размера с 5,3 до 6,3 мм при сохранении на стабильном уровне доли мелкой фракции (< 10 мм), которая не превышает 25 %. Доля фракции размером < 5 мм составляет менее 3,25 %. Восстановимость агломерата в соответствии с испытаниями ISO 4692 снизилась примерно на 0,2 %/мин. Прочностные показатели сопоставимы со значениями, полученными при традиционном процессе агломерации, и находятся на достаточно высоком уровне – примерно 78 %.

Общее сокращение энергопотребления составляет 213 МДж на 1 т агломерата, или на 12,5 %.

Таблица 5 – Сравнительный анализ выбросов традиционного агломерационного процесса и процесса LEEP

Отходящий газ

Традиционный процесс

Процесс LEEP

Сокращение, %

Объем, тыс м3/ч

1300

650

50

Пыль, мг/м3

50

25

35

SO2, мг/м3

500

325

50

NOx,мг/м3

400

200

50

CO, г/м3

12

6

50

HCl, мг/м3

30

15

50

HF, мг/м3

5

2,5

50

PCDF/D, нг/м3

1,5

0,3

80

Количество образующихся отходящих газов при процессе LEEP составляет только 50 %, или 650 тыс. м3/ч по сравнению с традиционным процессом агломерации (1,3 млн. м3/ч). Количество выбросов было уменьшено более или менее на 50 % в зависимости от соединения (таблица 5) Сокращение количества выбросов SO2 составило примерно 35 %, диоксинов – на уровне 80 %.

Утилизация ВЭР коксохимического производства

Установки сухого тушения кокса (УСТК)

Теплота раскаленного кокса в России и за рубежом используется в установках сухого тушения кокса (УСТК) для выработки пара энергетических параметров (3,9 МПа и 440 ºС) в их котлах-утилизаторах. Выработка пара достигает примерно 400кг/т кокса. При этом эффективность использования теплоты топлива, которое расходуется на обжиг кокса, увеличивается на 40 %.

УСТК не только обеспечивают экономию энергоресурсов, но и улучшают качество кокса за счет исключения из него влаги и увеличения твердости в сравнении с коксом, который тушился водой. Внедрение УСТК вместо мокрого тушения значительно улучшает состояние окружающей среды за счет резкого сокращения выбросов вредных газов.

В отечественной металлургии пар от УСТК направляется на приводные паровые турбины с противодавлением пара 0,8 - 1,2 МПа. Пар после турбин предусмотрено использовать для технологических нужд коксохимического производства и других объектов комбината. По лицензиям СССР УСТК построены в Индии, Японии и ряде других стран. В Японии внедряют моноблочные УСТК большой единичной мощностью 120 - 170 т/ч. Освоена работа котлов-утилизаторов с повышенными параметрами вырабатываемого пара.

Существенным недостатком отечественных УСТК является недостаточная емкость бункеров для размещения раскаленного кокса (форкамер) и связанная в связи с этим цикличность в выработке пара котлами-утилизаторами УСТК.

Это вызывает необходимость подачи пара на коксохимическое производство в цикловые периоды (прекращение выдачи кокса из печей и выполнение профилактических работ на тракте выдачи кокса) от других источников предприятия, а в остальные периоды возникают трудности с обеспечением нормальных условий для эксплуатации паропроводов 3,5 - 4,0 МПа.

В настоящее время предстоит замена или реконструкция коксовых батарей на многих предприятиях РФ. Необходимо устранить отмеченные недостатки с учетом положительного опыта зарубежных установок.

Более быстрыми темпами должны внедряться усовершенствованные установки сухого тушения кокса, исключающие цикличность производства пара, установки для использования других вторичных энергоресурсов коксохимического производства (физическое тепло охлаждающей воды, дымовых газов коксовых батарей и др.), более современные и экономичные технологические схемы энергоснабжения.

На одном из предприятий Германии УСТК отличается форкамерой увеличенных размеров для компенсации неравномерности поступления кокса на тушение. Инертный газ подается параллельно в тушильную камеру и в форкамеру.

Возможный вариант исключения цикличности – организация подтовки для нагрева инертных газов в этот период перед их поступлением в котел-утилизатор УСТК.

Теплоту дымовых газов и системы отопления коксовых батарей можно и нужно использовать для систем водоснабжения и горячего водоснабжения объектов коксохим производства с нагревом воды в экономайзерах.

Следует изучить и в случае целесообразности использовать многолетний положительный опыт Кузнецкого металлургического комбината и Сибгипромеза по использованию воды и ее теплоты, охлаждающей коксовый газ, с очисткой и деаэрацией в химводоочистке №3 для горячего водоснабжения комбината и части города Новолипецка по схеме открытого водоразбора. Это в свое время было эффективным использованием ВЭР, позволившим организовать в Новокузнецке централизованное горячее водоснабжение без сооружения дополнительных котельных мощностей.

Необходимо также использовать горючие газы и тепловые отходы химических цехов. К горючим газам следует отнести сероводородный газ с количеством теплоты около 0,5 Гкал на 1 т серной кислоты и ВЭР смолоперерабатывающих производств – около 0,25 Гкал/т смолы [12].

Использование коксового газа как ВЭР

Физическую теплоту коксового газа отбирают на разных стадиях охлаждения (рисунок 6): в стояках коксовых камер – от 700 – 800 до 400 °С; в газосборниках – от 400 до 80 °С; в первичных холодильниках – от 80 до 35 °С. Используется теплота первой и третьей стадий. Для утилизации теплоты первой стадии стояки оборудуют теплообменниками для получения пара, горячей воды, нагрева органических теплоносителей. Теплота третьей стадии охлаждения применяется для подогрева улавливающих растворов цеха сероочистки коксового газа [22].

Коксовый газ как горючий ВЭР в настоящее время используют в парогазовых установках (ПГУ), газотурбинных установках (ГТУ), когенерационных установках для получения электрической и механической энергии. Одним из главных направлений в решении задач повышения эффективности, экологичности, снижения материало- и капиталоемкости энергетических установок является внедрение комбинированных парогазовых установок [10].

Широкое распространение данной технологии обусловлено тем, что энергия сжигаемого в парогазовых установках топлива используется в бинарном цикле – сначала в газовой турбине, а потом в паровой, что делает ПГУ эффективнее любых тепловых станций, работающих только в паровом цикле. Другое важное преимущество ПГУ заключается в том, что на их строительство требуются значительно меньшие капиталовложения, к тому же энергоблоки можно вводить в эксплуатацию поэтапно – сначала газотурбинную часть, а потом паровую. Общая схема работы ПГУ представлена на рисунке 7 [23].

Рисунок 7 – Технологическая схема отделения конденсации:

1 – коксовые печи; 2 – стояк с клапанной коробкой; 3 – газосборник; 4 – сепаратор; 5 – холодильник; 6 – нагнетатель; 7 – электрофильтр; 8, 9, 11 – отстойники; 10, 12 – насосы; 13 – боров.

Рисунок 8 – Общая схема работы ПГУ:

ДГ – доменный газ, ЛДГ – конвертерный газ, КГ – коксовый газ.

Для повышения надежности электроснабжения и максимальной утилизации сбросных газов (доменного, конвертерного и коксового) металлургических предприятий использование ПГУ – наиболее оптимальный вариант. Однако при проектировании таких установок на меткомбинатах необходимо учитывать, что из-за особенностей технологических процессов в металлургии выход топливных газов весьма нестабилен, а потребитель имеет определенные требования к стабильной поставке больших объемов топливных газов с заданной калорийностью, диапазоном и скоростью ее изменения.

Так, для доменных печей нестабильность производства топливных газов характеризуется как кратковременной и интенсивной пульсацией расхода доменного газа продолжительностью 5 – 10 минут со скоростью изменения расхода газа до 5 тыс. куб нм/мин, обусловленной технологическим процессом, так и более продолжительными скачками при замене фурм или проведении ремонтно-профилактических работ. Для конвертеров возможно резкое увеличение вдвое выхода конвертерного газа в течение 12 – 14 минут при одновременной продувке двух конвертеров или снижение общего часового выхода конвертерного газа вдвое при остановке одного из конвертеров для проведения ремонтно-профилактических работ. Только для коксохимического производства присуща сравнительная стабильность выхода коксового газа и его характеристик.

В целом, основные результаты, которых удается достигнуть при внедрении ПГУ в металлургическом комплексе, – это значительное сокращение выбросов оксидов углерода и азота, а также сернистого ангидрида в связи с выводом из эксплуатации существенной части мощностей ТЭЦ. Также среди положительных результатов можно выделить минимизацию количества загрязняющих веществ в выбросах ПГУ по сравнению с выбросами котлов ТЭЦ благодаря контролируемому смешиванию газов на газосмесительной станции ПГУ и оптимизации процессов горения в камере сгорания газовой турбины. Данное преимущество ПГУ очевидно по сравнению с процессами сжигания доменного и конвертерного газов «в свече». Излишки же коксового газа сегодня вообще выбрасываются в атмосферу без дожигания. За счет ввода в эксплуатацию ПГУ потребление электроэнергии из национальной электроэнергетической сети уменьшается [24].

Сейчас на стадии ТЭО проект о введении ПГУ находится у Новолипецкого металлургического комбината (Россия) и Руставского металлургического завода (Грузия).

Возможности утилизации доменного газа на металлургическом комбинате

Воздухонагреватели большинства доменных печей Японии, Германии и ряда других стран оборудованы теплообменными устройствами (в том числе и с использованием промежуточных теплоносителей), в которых за счет физической теплоты отходящих из воздухонагревателей дымовых газов подогреваются воздух и газ, используемые для горения в воздухонагревателях. Это позволяет снизить потребление топлива воздухонагревателями печи на 5 % и повысить температуру дутья без использования газа с повышенной теплотой сгорания. На некоторых зарубежных предприятиях теплота дымовых газов используется в процессе подготовки угольной пыли для вдувания в доменные печи, на других – для подогрева воды и использования теплоты в системах теплоснабжения. Следует отметить, что на нагрев воздухонагревателей используется до 30 % доменного газа, вырабатываемого печью. Несмотря на многочисленные проектные разработки, выполненные для доменных печей России, ни одна из доменных печей страны не оснащена подобными устройствами для использования ВЭР воздухонагревателей.

Для использования избыточной энергии доменного газа в ближайшие годы предлагается внедрить газовую утилизационную бескомпрессорную турбину (ГУБТ) на большинстве доменных печей осуществлено. Сооружение ГУБТ позволит обеспечить электроснабжение доменной печи от собственного источника и частично компенсировать затраты энергии на производство доменного дутья.

Краткий экскурс в историю создания газовых утилизационных бескомпрессорных турбин (ГУБТов). После разработки в 1951 г. Б.В. Сазановым (МЭИ) соответствующей технологии в 60-х годах прошлого столетия в СССР началась разработка ГУБТов (по сути - детандеров доменного газа «ДДГ»), работающих на избыточном давлении газа, образующегося при плавке чугуна в домнах металлургических комбинатов. Несмотря на то, что вопрос энергосбережения в те годы не представлял особой актуальности, для разработки ГУБТов и их серийного производства были выделены значительные финансовые средства. Первым металлургическим комбинатом, на котором был реализован проект с ГУБТ-6 с радиальной турбиной мощностью 6 МВт, стал Магнитогорский МК. Опыт длительной доводки этого ГУБТа позволил в последующем разработать более совершенные, но не лишенные серьезных недостатков, ГУБТ-8 и ГУБТ-12. Серийное производство этих утилизационных турбин осуществлял «Уральский турбомоторный завод» (в настоящее время ОАО «Турбомоторный завод») в г. Екатеринбурге. Всего в период с 1975 г. по 1987 г. был изготовлен и поставлен 21 комплект ГУБТ мощностью 8 МВт и 12 МВт на различные металлургические комбинаты (в т.ч. и в Японию).

К сожалению, одной из основных ошибок при проектировании этих утилизационных турбин , не способствовавших их широкому внедрению, явилось предположение о том, что в процессе расширения газа в турбине его температура снизится до отрицательных значений, что, в свою очередь, приведет к кристаллизации воды, содержащейся в доменном газе и поступающем в ГУБТ после влажной очистки в скруббере. Вследствие такого предположения ГУБТы комплектовались подогревателями газа, а в ТУ на их поставку оговаривалась температура газа на входе в ГУБТ: 1200 °С.

Помимо снижения экономической эффективности проекта (в подогревателе сжигалась часть доменного газа и подводимый извне природный газ) такое техническое решение привело к очень серьезным проблемам при эксплуатации этих установок: сильному загрязнению проточных частей турбин из-за высокого содержания мехпримесей в доменном газе (в зависимости от эффективности системы очистки - до 5 – 10 мг/м3), что требовало периодических остановов, вскрытия и очистки от скапливавшейся пыли, и как следствие - к снижению технических характеристик ГУБТов. Так в эксплуатации мощность ГУБТ-8 не превышала 5 МВт, а ГУБТ-12 составляла не более 8 МВт [25] при параметрах газа, близких к проектным.

В 2002 г. на ОАО «Северсталь» (при самой большой в Европе домне объемом 5500 м) был введен в эксплуатацию ГУБТ-25 совместной разработки и изготовления ЗАО «Невский завод» и немецкой фирмы «Циммерман и Янзен», проект которого не предусматривал подогрев газа на входе в турбину. Реализация проекта осуществлялась при общем техническом руководстве фирмы «Циммерман и Янзен». В конструкции ГУБТ-25 был предусмотрен отвод влаги, сконденсировавшейся в процессе расширения газа в турбине.

Несмотря на то, что турбина проектировалась с помощью современных методов расчета, проектную мощность получить не удалось (вместо проектных 25 МВт получено 17,4 МВт [3]). Причиной этого является, скорее всего, снижение КПД турбины из-за большой неравномерности потока газа при радиальном подводе рабочего тела. Тем не менее, 6-летняя эксплуатация ГУБТ-25 подтвердила возможность применения чисто утилизационных (без подогрева доменного газа) газорасширительных турбин для выработки электроэнергии экологически чистым способом без сжигания топлива, экономия которого за истекший период составила около 300 тыс. т условного топлива.

Рис. 9. Принципиальная схема включения ГУБТ (ДДГ) в технологическую схему металлургического завода

Комментарий к схеме: Колошниковый газ, образующийся при плавке чугуна в доменной печи, проходя через систему сухой газоочистки (на схеме: «сухой пылеуловитель») и влажной газоочистки (на схеме: «скруббер»), поступает на вход ГУБТ (ДДГ). Отработанный в турбодетандере газ поступает в общий коллектор газовой сети металлургического завода. Пуск ГУБТ (ДДГ) производится через пусковой регулирующий клапан, который закрывается после синхронизации генератора сетью и открытия основного клапана (на схеме: «быстрозакрывающийся»). При неработающем ГУБТ (ДДГ) колошниковый газ поступает в заводскую газовую сеть через дроссельную группу клапанов и главный быстрооткрывающийся байпасный клапан.

Анализ современного рынка производителей ДДГ

В настоящее время, по сути, единственным поставщиком современных детандер-генераторных установок доменного газа является фирма «Kawasaki». С учетом опыта эксплуатации приобретенных в 70-х годах в Советском Союзе японскими предприятиями пяти ГУБТ-12, фирма разработала собственные ГУБТы и поставила около 30 ГУБТов для собственных металлургических предприятий Японии и более 40 комплектов такого оборудования для различных стран мира.

Разработчик и серийный производитель советских ГУБТов – Уральский турбомоторный завод (в настоящее время - ОАО «Турбомоторный завод», г. Екатеринбург) - не занимается разработкой новых модификаций ГУБТов, а по-прежнему предлагает к поставке устаревшие ГУБТ-8 и ГУБТ-12. Именно по этой причине завод «Криворожсталь» отказался закупать их в 2002 г., проводя капитальный ремонт доменной печи № 9 (при которой ранее были установлены два ГУБТ-12).

У ЗАО «Невский завод» ГУБТ-25 является последней разработкой. И только недавно на сайте этого предприятия появилась информация о начале работ по проектированию современных ГУБТов мощностью 10;8; и 6 мегаватт.

Учитывая долгосрочные перспективы развития металлургических комбинатов России, Украины, Казахстана, то предприятие, которое сможет предложить на этот сегмент рынка эффективное энергосберегающее оборудование в виде комплектно поставляемых установок, производящих электроэнергию за счет утилизации энергии доменного газа, сможет обеспечить себя на длительный срок постоянными заказами на поставку такой техники. Особенно, если учесть тот факт, что во всем мире уже давно модернизация, капитальный ремонт практически любой существующей доменной печи или строительство новой сопровождаются, как правило, одновременной установкой ДДГ [26].

Процесс выплавки электростали с непрерывной загрузкой горячей шихты и использованием теплоты отходящих газов (Процесс Consteel)

Процесс Consteel – энергосберегающий, экологичный и экономически эффективный процессе электроплавки с конвейерной непрерывной загрузкой скрапа. В мире в ускоренном темпе происходит наращивание производства электростали в электродуговых печах (ЭДП) с непрерывной загрузкой шихты.

Характеристика процесса. Скрап непрерывно подается в ДСП с помощью конвейера, соединяющего скрапный двор с цехом. Скрап загружается на конвейер магнитными кранами и перемещается по поверхности конвейера пульсирующими движениями ленты. В зоне подогрева он нагревается отходящими печными газами, подаваемыми в направлении, обратном движению скрапа по принципу “противотока”. На участке подогрева скрапа происходит частичное дожигание СО до СО2 кислородом воздуха, расход которого регулируется автоматической системой управления. Выделяемое при этом дополнительное тепло также поглощается скрапом. Схема процесса Consteel представлена на рисунке 10.

Рисунок 10 – Схема процесса Consteel

Принципиальная и основная особенность процесса состоит в том, что в ходе непрерывной загрузки плавка проходит в стабильном режиме "плоской ванны" (международный термин “flat bath”). Электрические дуги горят исключительно на зеркало жидкой ванны, а не на куски скрапа, поскольку при непрерывной загрузке скрап сразу погружается в жидкую ванну, где плавится и растворяется, не попадая под электроды. Такой ход плавки исключает возмущения электрического режима, связанные с обрывами дуг и короткими замыканиями электродов на скрап. Стабильный энерготехнологический режим плавки повышает отбор активной мощности от печного трансформатора, сокращает потребление электрической энергии, обеспечивает снижение уровня шума горящих дуг, сокращает генерацию высших гармоник тока и негативное воздействие электропечной установки на питающую сеть (фликер-эффект).

Автоматизированная система подачи шихты в печное пространство регулирует скорость подачи для поддержания заданной температуры ванны и работает с учетом обратной связи с весовым устройством, на котором расположена печь. Режим вспенивания шлака для экранирования дуг поддерживается автоматически по уровню шума электрических дуг: уровень шума закрытых дуг существенно ниже, чем открытых. Свод ЭДП всегда закрыт, и отсос отходящих газов производится непосредственно из первичного газохода. Отсутствие топливных горелок – экологическое преимущество процесса.

При работе с жидкой ванной более эффективно используются фурмы для продувки металла кислородом и углеродом, процесс шлакообразования позволяет получить жидкий и однородный шлаковый покров, активно протекают реакции на границе шлак-металл, обеспечивая оптимальное содержание в шлаковом расплаве оксидов железа.

Печи потребляют мощность в энергосберегающем режиме пониженных рабочих токов, повышенного коэффициента мощности и стабильных дуг при отсутствии коротких замыканий электродов на металл, вызываемых обрушением твердого скрапа в печном пространстве. Электроды большую часть времени работают в восстановительной атмосфере, замедляющей их окисление. При работе с жидкой ванной и пенистым шлаком реакции между шлаком и металлом находятся ближе к равновесному состоянию, чем при обычном процессе. Содержание газов в металле понижается, сталь меньше окисляется. Такие условия сохраняются в течение всей плавки [27].

Содержание азота в литых заготовках снижается при переходе от обычной технологии к процессу Consteel: в среднем разница в содержании азота составляет 15 ррт. Содержание оксидов железа в шлаке также значительно снижается. Как следствие окисленность стали снижается, уменьшается коррозия и эрозия огнеупоров, вязкость шлака оптимальна для его вспенивания. Низкое содержание FeO в шлаке означает также пониженный угар скрапа, повышенный выход годного и возможность загружать в печь меньше металлошихты для получения того же количества жидкой стали.

Электроплавка с непрерывной загрузкой шихты в расплавленный металл, когда электрические дуги в течение всей плавки горят на плоском зеркале жидкой ванны, имеет значительные экологические преимущества перед электроплавкой с порционной загрузкой шихты (в части шума, эмиссии СО2, влияния печей на энергосети) и, безусловно, может быть отнесена к экологически чистым металлургическим технологиям категории ВАТ (международный термин ВАТ — best available technologies). С позиций международного и российского природоохранного законодательства электроплавка стали с непрерывной загрузкой шихты может быть отнесена к категории наилучших существующих технологий, основанных на последних научно-технических достижениях и направленных на снижение негативного воздействия на окружающую среду.

Внедрение процесса Consteel в разных странах идет быстрыми темпами, всего насчитывается 22 работающие установки (в США, Японии, Германии, Италии, Китае и др.). Суммарное годовое производство стали на этих установках в 2006 г. составило около 15 млн. т.

Первая установка в России и странах СНГ (установка со 120-т ЭДП переменного тока годовой производительностью около 1 млн. т жидкой стали) введена на Ашинском металлургическом заводе в 2009 г.

Энергетические теплоиспользующие установки

Для использования физического тепла отходящих газов промышленных печей применяются следующие разновидности энергетических теплоиспользующих установок:

1) установки для подогрева воды;

2) установки для подогрева воздуха;

3) паровые котлы-утилизаторы;

4) газотурбинные установки, встроенные в запечный газовый тракт.

Первые две разновидности энергоустановок имеют ограниченное применение.

Горячая вода (tв ≤ 130 – 150 °С), получаемая в установках на отходящих газах, может применяться для отопительно-вентиляционных и бытовых целей и других нагревательных процессов.

Подогрев воздуха в теплоиспользующих установках отходящими газами местных промышленных печей может производиться:

а) для пластической обработки металлов воздушными молотами или прессами, причем сжатый воздух подогревается до 250 °С;

б) для нагревательных (сушки) и отопительно-вентиляционных целей в местных производственных помещениях.

Пар, получаемый в котлах-утилизаторах, может быть использован:

а) для производственных, нагревательных, отопительно-вентиляционных и бытовых тепловых целей;

б) для выработки электроэнергии или производства механической работы при раздельном энергопроизводстве;

в) для получения теплофикационной электроэнергии или механической работы агрегатов при комбинированном энергопроизводстве на базе тепловых производственных, отопительно-вёнтиляционных и бытовых нагрузок.

Количество газов, отходящих из промышленной печи, при нормальном режиме работы последней, как отмечено выше, более или менее постоянно. При переменном режиме работы некоторых небольших промышленных печей, возможно, включать на параллельную работу соответствующие котлы-утилизаторы.

Установки с паровыми котлами-утилизаторами могут обеспечивать наиболее полное и рациональное использование физического тепла отходящих печных газов, как для теплоснабжения потребителей, так и для выработки электроэнергии при комбинированном или раздельном энергопроизводстве.

Область целесообразного применения паровых котлов-утилизаторов за печами зависит от начальной температуры отходящих газов и от тепловой мощности промышленных печей, т. е. от количества потребляемого ими топлива.

Приближенно можно считать, что использование тепла отходящих газов промышленных печей путем установки паровых котлов-утилизаторов является рациональным, когда располагаемое количество тепла в отходящих газах превышает 2 – 3 Мккал/ч при годовом использовании не менее 4000 ч и при температуре газов перед котлом-утилизатором не ниже 500 °С.

Таким образом, при энергетическом использовании физического тепла отходящих печных газов основным рабочим теплоносителем является почти всегда водяной пар, вырабатываемый в котле-утилизаторе.

При повышении начальных параметров пара на электростанции с котлами-утилизаторами увеличивается выработка электроэнергии при одинаковых количествах пара и одинаковых конечных давлениях пара за турбиной. В то же время повышение начальных параметров пара удорожает тепловую электростанцию. Поэтому при выборе начальных параметров пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства на ТЭЦ следует учитывать также возможные условия внешнего энергоснабжения и соответствующую удельную стоимость условного топлива. Комбинированное использование пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения и электроснабжения потребителей в каждом случае должно быть экономически обосновано.

В настоящее время применяются следующие основные конструктивные типы котлов-утилизаторов:

1) газотрубные котлы-утилизаторы, используемые в установках малой мощности с низким давлением пара р0 ≤ 15 атм и для начальной температуры отходящих газов tо.г.н ≤ 700 – 800 °С;

2) змеевиковые котлы-утилизаторы с многократной принудительной циркуляцией для начальных параметров пара р0 ≥ 18 атм, t0 ≥ 375 °С;

3) водотрубные котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией, работающие на газах с высокой начальной температурой порядка 1000 °С и выше.

В котлах-утилизаторах первых двух типов, устанавливаемых за мартеновскими, металлонагревательными, ватержакетными, нефтеперегонными и другими промышленными печами, используется в основном конвективная теплоотдача газов.

Рисунок 11 – Газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор

На рисунке 11 показан газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор. В состав его входит: 1 – газотрубная система котла; 2 – испарительный внешний барабан; 3 – пароперегреватель; 4 – дымосос.

К недостаткам газотрубных котлов-утилизаторов относятся ограниченная предельная паропроизводительность – не свыше 7,5 т/ч и пригодность для производства пара давлением не выше 15 атм.

На рисунке 12 изображена схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией, здесь 1 – водяной экономайзер; 2 – испарительные змеевики; 3 – пароперегреватель; 4 – барабан котла; 5 – циркуляционные насосы; 6 – шламоуловитель; 7 – дымосос; 8 – главный паропровод; 9 – главный питательный водопровод от центральной насосной.

Рисунок 12 – Схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией

Для нормальной работы змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией необходимо наличие отходящих газов малой запыленности и умеренной температуры. Это устраняет возможность зашлакования трубных пучков змеевикового котла.

Преимущества таких котлов, сравнительно с котлами-утилизаторами других типов, сводятся к следующему:

а) уменьшаются затраты металла на котел;

б) имеются практически неограниченная мощность (пропуск газов) и возможность выработки пара повышенных ;

в) уменьшаются требования к качеству питательной воды;

г) достигается большая компактность;

д) имеется возможность применять блочные установки.

Поэтому змеевиковые котлы, индивидуальные или блочные с многократной принудительной циркуляцией, являются основным современным типом котлов-утилизаторов, изготовляемых отечественной промышленностью.

Рисунок 13 – Схема блочной централизованной установки котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией

Схема блочной (централизованной) установки змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией изображена на рисунке 12. Здесь 1 и 2 – испарительные змеевики или собственно котлы-утилизаторы; 3 – общий барабан; 4 – циркуляционные насосы; 5 — групповой пароперегреватель; 6 – питательные насосы; 7 – деаэратор; 8 – расширитель непрерывной продувки; 9 – теплообменник; 10 – трубопровод химически очищенной воды.

Котлы-утилизаторы, устанавливаемые за печами, не требуют непрерывного обслуживания и при наличии автоблокировки нуждаются только в периодическом осмотре.

Централизованное использование тепла, получаемого от отдельных групп испарительных змеевиков, делает экономичной установку их даже у самых небольших печей. При этом испарительные змеевики в случае необходимости можно размещать в газоходах печей, не загромождая производственных площадей цехов.

Недостатками блочной установки котлов-утилизаторов являются:

а) сложность устройства водяных экономайзеров, что затрудняет снижение температуры отходящих газов при давлениях пара порядка 18 атм и выше;

б) потребность в центральном (групповом) пароперегревателе, обогреваемом топливом (например, доменным газом).

При давлении пара котлов-утилизаторов не выше 10 атм достигаемое снижение температуры отходящих газов может быть экономично достигнуто и без водяных экономайзеров. Расход топлива на центральный пароперегреватель блочной установки незначителен по сравнению с общей экономией топлива, даваемой блочной установкой.

Для водотрубных котлов-утилизаторов, работающих на газах высокой температуры, характерным является использование радиационной теплопередачи. Для котлов этой группы часто оказываются необходимыми специальные, расположенные первыми по ходу газов, радиационные испарительные поверхности нагрева, охлаждающие печные газы до температуры, обеспечивающей грануляцию содержащегося в них расплавленного уноса.

Водотрубные котлы с естественной циркуляцией, работающие на отходящих газах, применяются в ряде предприятий химической и цементной промышленности, а также в цветной металлургии.

Если необходим нагрев воздуха для печи до высокой температуры, то конвективная часть котла может отпасть, и он превратится в чисто экранный котел (котел-шлакогранулятор).

Такие котлы целесообразно применять в ряде предприятий химической промышленности, например, для предприятий с сернокислым производством, в которых производственный процесс требует промежуточного охлаждения сернистых газов с 1100 до 400 °С. В таких предприятиях котлы-утилизаторы могут заменять собой промежуточные поверхностные воздушные или водяные охладители.

До сих пор применяемые способы использования физического тепла отходящих горячих газов промышленных печей в основном не затрагивают устройства и режимов работы самих печей, а только дополняют их теми или другими теплоиспользующими устройствами.

В то же время начинает применяться также комбинированное использование тепла отходящих газов в производственных нагревателях и энергетических теплоиспользующих установках, которое обеспечивает более рациональное энерготехнологическое использование тепла этих газов.

К предложенным до настоящего времени схемам такого комбинированного энерготехнологического использования тепла отходящих газов относятся, например, схема с установкой парового котла-утилизатора в «рассечку» с хвостовым рекуператором сталеплавильной печи; схема плавильного агрегата с размещением непосредственно за плавильной камерой парового котла-шлакогранулятора экранного типа и с делением хвостового рекуператора на три ступени с расположением между ними пароперегревателя и водяного экономайзера; схемы с газотурбинными установками, встраиваемыми в газовый тракт мощных промышленных печей (коксовых, доменных, сталеплавильных).

Применение подобных встроенных газотурбинных установок (ВГТУ), вырабатывающих электроэнергию, представляется, бесспорно, целесообразным тогда, когда избыточное давление энергоносителя (газа), используемое в этих турбинах, необходимо по технологическим условиям, например в доменных печах повышенного давления.

Возможно, также применение ВГТУ за крупной мартеновской печью для использования тепла отходящих газов комбинированно с паровым котлом-утилизатором. При этом через воздушную и газовую турбину ВГТУ пропускаются воздух и газ, направляемые в печь для сжигания.

В остальных случаях ВГТУ, по-видимому, будут уступать по экономичности паросиловым установкам с котлами-утилизаторами, наиболее эффективно использующими в таких случаях физическое тепло отходящих печных газов.

В каждом частном случае необходим технико-экономически обоснованный выбор наиболее рационального варианта использования физического тепла отходящих газов промышленных печей [28].


Использование ВЭР на металлургических комбинатах России

Состояние и перспективы утилизации вторичных энергоресурсов на ОАО «Северсталь»

Для комплексной оценки энергопотребления используют предложенный Международным институтом чугуна и стали (IISI) коэффициент удельного потребления энергоресурсов на 1 т выплавленной стали. На лучших зарубежных металлургических предприятиях этот показатель составляет 4,5 – 5 Гкал/т стали, у лидеров российской черной металлургии 6 – 7 Гкал/т стали. Теоретически же минимальное количество энергии, требующееся на производство стали, составляет 2 Гкал/т стали.

Величина энергопотребления определяется как структурой технологической цепи, эффективностью топливо- и энергопотребляющих агрегатов, так и уровнем использования ВЭР. Энергопотребление «Северстали» в 2004 г. составило 6,28 Гкал/т стали, что на 14 % ниже, чем в 1999 г. Задача предприятия заключается в том, чтобы снизить энергопотребление до 4,9 – 5 Гкал/г ста- ли, и одним из основных направлений ее достижения является увеличение использования ВЭР.

Покупное топливо (природный газ и энергетический уголь) и электроэнергия покрывают только половину потребности предприятия, недостающее количество, в основном, обеспечивается за счет вторичных энергоресурсов. Так, коксовый газ составляет 20 % используемого топлива, доменный – 27 %. Доля собственной выработки электроэнергии за счет сжигания покупного природного газа составляет около 8 %.

Комбинат обладает всеми видами ВЭР:

  • горючими — доменный и конвертерный газы, промежуточный продукт обогащения угля, химические продукты, улавливаемые в процессе коксования, а также коксовая мелочь и пековый кокс (к ВЭР иногда относят также коксовый газ, который по сути вторичным не является);
  • тепловыми — физическое тепло продукции и отходящих газов, тепло отработавшего пара;
  • избыточного давления газов.

Утилизировать ВЭР можно как непосредственно в технологическом процессе, так и направив их для выработки энергетических ресурсов.

Большую часть покупной энергии составляет энергия коксующихся углей (4 Гкал/т стали). Около 90 % энергии углей переходят в кокс (2,817 Гкал/т стали) и коксовый газ (0,758 Гкал/т). Кроме того, утилизируются химические продукты, пековый кокс (0,2 Гкал/т) и промпродукт (0,03 Гкал/т). При этом химические продукты, пековый кокс и частично промпродукт реализуются на сторону.

Значительную долю покупной энергии составляет природный газ (1,85 Гкал/т стали), который обеспечивает половину потребности в топливе, 50 % коксового, 55 % доменного и 12 % природного газов используют для выработки тепловой и электрической энергии. Доля собственной выработки электроэнергии составляет 49,2 %, теплоэнергии – 100 %. Кроме того, теплоэнергия реализуется на сторону. В таблице 6 показано использование горючих ВЭР в условиях "Северстали".

Коксовый газ утилизируется в процессе коксования, его выход достаточно стабилен и зависит от качества углей. Его используют в коксохимическом производстве (для отопления коксовых батарей), в обжимном цехе (для нагревательных колодцев в смеси с доменным газом), в агломерационном производстве (в смеси с доменным газом), на печах обжига доломита. Буферным потребителем коксового газа являются энергетические котлы ТЭЦ-ПВС и ТЭЦ-ЭВС-2, работающие на смеси газообразных и твердого топлива. Основным неудобством в использовании коксового газа является зарастание газопроводов нафталином, для исключения которого проводят пропарки газопроводов. Потери коксового газа составляют не более 0,6 % от выхода.

Таблица 6 – Использование горючих ВЭР на «Северсталь»

ВЭР

Выход, тыс. т.у.т/год

%использования

Отпуск сторонним потребителям, %

В цехе-источнике

В других технологических цехах

В энергоцехах

Коксовый газ

1130

38

11,4

50

-

Доменный газ

1500

32

5,6

57

-

Конвертерный газ

230

-

-

-

-

Промпродукт

50

-

-

80-100

0-20

Пековый газ

100

-

20

-

80

Единое коксохимическое сырье

120

-

-

-

100

Бензол

30

-

-

-

100

Нафталин

13

-

-

-

100

Масло антраценовое

5

-

-

-

100

Толуол, сольвент

5

-

-

-

100

Доменный газ (колошниковый газ доменных печей) после газоочистки и газорасширительной станции подают потребителям. Используют в доменном цехе (для отопления воздухонагревателей), в коксохимическом производстве (в смеси с коксовым газом для отопления коксовой бата реи № 4), в обжимном цехе и агломерационном производстве (в смеси с коксовым газом). Буферным потребителем доменного газа также являются ТЭЦ-ПВС и ТЭЦ-ЭВС-2. П-отери доменного газа "на свече" составляют 5,4 %. Основная причина потерь — неравномерность потребности в топливе на ТЭЦ. В летний период потребление топлива сокращается, а также проводятся капитальные ремонты блоков ТЭЦ, поэтому доменный газ частично сжигается "на свече". Суммарные потери доменного и коксового газов составляют 80 – 100 тыс. т у.т/год.

Руководством комбината проанализированы различные способы сокращения потерь горючих) ВЭР: перевод на сжигание коксодоменной смеси аглофабрики № 3, прокатных цехов, строительство дополнительных электрогенерирующих мощностей. Наиболее приемлемым представляется расширение собственных электрогенерирующих мощностей, различные варианты которого в настоящее время прорабатываются. Сокращение потерь доменного и коксового газов позволит уменьшить удельное энергопотребление на «Северстали» на 0,9 %.

Конвертерный газ (отходящие газы конвертерной плавки) в настоящее время на «Северстали», как и на других металлургических предприятиях России и СНГ, не используется. Основной горючей частью конвертерного газа является окись углерода (СО), процентное содержание которой в смеси меняется в зависимости от стадии плавки.

Наибольшее содержание СО (до 90 %) может быть достигнуто в средний период продувки, который длится около 10 мин в течение плавки, в то время как среднее числе плавок на одном конвертере в сутки составляет 23-28. В межпродувочный период содержание СО в отходящих газах сокращается до нуля. В настоящее время конвертерные газы полностью сжигаются «на свече».

Потенциал использования конвертерных газов на «Северстали" оценен в 230 тыс. т усл.т/год. Это количество определено как суммарное количест­во газов с содержанием СО не менее 30 % в те­чение всего года (при содержании СО от 0 до 30 % отходящие газы направляются «на свечу» даже при наличии утилизационной установки по ис­пользованию конвертерного газа).

Руководством «Северстали» рассматриваются различные варианты использования конвертер­ного газа в схеме с газгольдером для выработки электроэнергии, но все они связаны со значи­тельными капитальными затратами. Утилизация конвертерного газа позволит сократить энергопо­требление на «Северстали» на 2,5 %.

Промпродукт – промежуточный продукт мок­рого обогащения рядовых коксующихся углей. Его выход зависит от качества поступивших уг­лей, на сегодняшний день он составляет 50 тыс. т усл.т/год (около 80 тыс. т в фактическом весе). Промпродукт является резервным топливом для ТЭЦ при дефиците вторичных горючих газов. Не­смотря на достаточно высокую зольность (20-40 %), он имеет преимущества перед другими ви­дами твердого топлива, например, долгий срок хранение на складе, низкую себестоимость. ТЭЦ-ЭВС-2 использует промпродукт только в зимний период, ТЭЦ-ПВС в летний период сокращает его сжигание.

В перспективе при переходе на использова­ние в коксохимическом производстве только угольных концентратов выхода промпродукта не будет. В качестве альтернативы энергетическим углям, как резервному топливу для ТЭЦ, рас­сматриваются другие виды топлива. В частности, прорабатывается вариант рециклинга угольных шламов из золошламонакопителя (еще один вид горючих ВЭР, в настоящее время не используе­мых). При мокром обогащении углей не вся го­рючая часть утилизируется с коксом, коксовым газом, промпродуктом и химическими продукта­ми. До 15 % энергии рядовых углей теряется с породой, хвостами флотации и т. п. Рециклинг угольных шламов – возможность вернуть в про­изводство часть этой энергии. Реализация про­екта позволит сократить удельное энергопотреб­ление на "Северстали" на 2,5 – 3 %.

Пековый кокс, утилизируемый в коксохимиче­ском производстве, частично используют в до­менном цехе и агломерационном производстве. Большая часть его реализуется сторонним по­требителям, также как и химические продукты, утилизируемые в цехе химулавливания коксохи­мического производства (единое коксохимическое сырье, бензол, нафталин, масло антрацено­вое, толуол и сольвент).

При определении коэффициента удельного энергопотребления предприятия на 1 т выплав­ленной стали из него вычитается энергосодер­жание всех реализованных сторонним потреби­телям энергоресурсов. Доля продажи горючих ВЭР составляет около 3 % энергопотребления «Северстали».

Избыточное давление газов – вторичный ре­сурс, позволяющий прийти к выработке электро­энергии более коротким путем, чем тепловые ВЭР, поэтому остановимся сначала на нем. Ис­пользуется, в основном, избыточное давление покупного природного газа и давление колошни­кового газа доменных печей.

Избыточное давление природного газа в на­стоящее время на «Северстали» не утилизирует­ся, хотя варианты его использования для выра­ботки электроэнергии рассматривались. Потен­циал давления природного газа в целом по пред­приятию велик. При входном давлении природ­ного газа 0,7 – 1,2 МПа технологическая потреб­ность в таком давлении имеется только в про­цессе доменной и мартеновской плавки (42 % потребления), для прокатных цехов газ редуци­руется частично до 0,5 МПа (20 % потребления), остальным потребителям газ редуцируется до 1,018 атм. Расположение газорасширительных станций на территории предприятия таково, что возможна установка либо очень мелких устано­вок, либо реконструкция схемы газоснабжения предприятия, что связано со значительными ка­питальными вложениями.

В отличие от других металлургических пред­приятий России на «Северстали» используется избыточное давление колошникового газа доменных печей. ГУБТ (газовые утилизационные бескомпрессорные турбины) установлены за тремя доменными печами из пяти (одна из печей в настоящее время на реконструкции). На зарубежных предприятиях, как правило, все вновь вводимые доменные печи оснащены ГУБТ. Аб­солютное давление газа под колошником домен­ной печи составляет от 0,25 до 0,3 МПа. При по­терях давления на газоочистке (0,035 МПа) по­требителям направляется газ с давлением 0,11 – 0,115 МПа. Регулирование давления ко­лошникового газа осуществляется дроссельной группой (с потерей энергии), либо ГУБТ с выра­боткой электроэнергии. Потенциал выработки электроэнергии на ГУБТ составляет 20 – 35 кВтч/т чугуна в зависимости от параметров доменной печи.

ГУБТ-25, установленная за самой крупной доменной печью № 5, введена в эксплуатацию в июле 2002 г. ГУБТ-25 отличается наличием поворотных направляющих лопаток, что позволяет максимальное количество газа пропускать через ГУБТ, а не через дроссельную группу. Срок окупаемости с момента ввода в эксплуатацию составил менее двух лет, себестоимость вырабатываемой электроэнергии в 5-6 раз ниже покупной. Кроме ГУБТ-25, в настоящее время в эксплуатации находится ГУБТ-8 (за доменной печью № 3). ГУБТ-12 установлена за доменной печью № 4, находящейся на реконструкции. Выработка электроэнергии ГУБТ в 2004 г. составила 153,5 млн. кВт•ч, что соответствует 2,5 % суммарного потребления электроэнергии «Северсталью».

Планируется установка ГУБТ нового поколения за доменными печами № 1 и 2, но в настоящее время мероприятие отложено из-за высокого срока окупаемости.

Использование избыточного давления колошникового газа сократило удельное энергопотребление на «Северстали» на 0,5 %, но особенно ценно то, что сэкономлен наиболее дорогой вид покупных энергоресурсов — электроэнергия. ВЭР можно использовать непосредственно возвращая их в технологический процесс, а также применяя их для выработки энергетических ресурсов.

Тепловые ВЭР утилизируют в виде тепла с паром и горячей водой, частично энергию пара применяют для выработки электроэнергии. В табл. 2 показано использование тепловых ВЭР на «Северстали».

Всего утилизировано 2635 тыс. Гкал тепловых ВЭР, что составляет 40 % выработки тепла на комбинате, из них 1450 тыс. Гкал отпускается сторонним потребителям. Утилизация тепловых ВЭР снижает энергопотребление «Северстали» на 4 %.

Тепловые ВЭР в виде пара (40 ата) используют для выработки электроэнергии на паровой утилизационной электростанции (ПУЭС) в составе двух турбоагрегатов — ПТ-12 и Р-4. В настоящее время турбины загружены не полностью из-за дефицита пара. Годовая выработка электроэнергии ПУЭС составила 53 млн кВт•ч/год, что соответствует ~ 1% потребления электроэнергии «Северстали».

Кроме утилизации горючих ВЭР, в коксохимическом производстве используется тепло раскаленного кокса. Для этого имеются три установки сухого тушения кокса (УСТК) и установка сухого тушения пекового кокса (УСТПК). Все коксовые батареи (за исключением двух) оснащены камерами сухого тушения кокса. Планируется строительство УСТК за коксовыми батареями № 5 и 6, также будет реконструирована УСТК за коксовой батареей № 4 при реконструкции самой батареи. Полное исключение мокрого тушения кокса позволит сократить энергопотребление комбината дополнительно на 0,6 %.

ПУЭС, работающая на паре УСТК, загружена не полностью из-за дефицита пара. Так как коксохимическое производство само является наиболее крупным потребителем пара для технологических нужд, то планируемые мероприятия по сокращению потребления пара КХП следует рассматривать как мероприятия по увеличению использования ВЭР. После реконструкции УСТК-1 планируется увеличить выработку ПУЭС в 2 раза. При этом удельное энергопотребление на «Северстали» сократится на 0,2 %.

По опыту некоторых зарубежных предприятий утилизация тепла раскаленного кокса для выработки собственной электроэнергии может быть значительно выше, но это требует реконструкции как котлов-утилизаторов, так и самих камер тушения, что в условиях действующего предприятия практически нереализуемо.

Кроме того, возможно использование физической теплоты коксового и отходящих газов отопления коксовых батарей для подсушки угольной шихты с помощью промежуточного теплоносителя, для подогрева воздуха или теплофикационной воды. Проведены расчеты по использованию тепла для подогрева теплофикационной воды, установка получается убыточной из-за недостаточно высокой температуры отходящих газов и значительных расходов на перекачку теплоносителя. Существующая схема подачи воздуха для отопления коксовых батарей препятствует использованию этого тепла для подогрева воздуха.

В настоящее время в агломерационном производстве «Северстали» собственные ВЭР не утилизируются (не используется ни тепло охлаждения агломерата, ни тепло отходящих газов агломашин). Рассмотрены варианты использования тепла линейного охладителя агломерата для выработки электроэнергии и пара, но ввиду высокой затратности и отсутствии дефицита пара в районе аглофабрики мероприятия временно отложены. Использование тепла агломерационных газов для подогрева воздуха в зажигательных горнах также потребует реконструкции агломашин, поэтому мероприятия по использованию ВЭР в агломерационном производстве планируются после реализации менее затратных мероприятий в других производствах.

Уровень утилизации ВЭР в доменном цехе «Северстали» достаточно высок: в значительной мере используется как сам доменный газ, так и его избыточное давление.

На зарубежных предприятиях применяют сухую очистку колошникового газа, в том числе и с использованием рукавных фильтров что позволяет не только увеличить выработку электроэнергии ГУБТ, но и утилизировать доменный газ в газовой турбине (Япония). Существуют разработки по использованию тепла шлака, тепла охлаждения доменной печи. Возможна установка испарительного охлаждения доменной печи с получением пара. Теплота жидкого чугуна используется при выплавке стали.

На комбинате рассматривалась возможность использования тепла колошникового газа, но из-за его низкой температуры это предложение практически нереализуемо.

Имеется значительный потенциал по утилизации тепла отходящих газов кауперов для подогрева доменного газа и воздуха горения. Рассмотрены различные варианты утилизационных установок, преимуществом которых является возможность экономии не просто топлива (доменного или природного газа на кауперы), а кокса за счет увеличения температуры дутья (как энергоресурс кокс является наиболее дорогим, даже в сравнении с электроэнергией). Препятствием является трудность внедрения такой установки в условиях действующего производства. Но в объем реконструкции доменной печи № 4 установка по использованию тепла воздухонагревателей для подогрева доменного газа и воздуха горения включена. Ввод ее в эксплуатацию сократит энергопотребление «Северстали» на 0,1 %.

Тепловые ВЭР в виде пара котлов-охладителей конвертерных газов временно не используются, так как отсутствуют потребители, но осуществляются мероприятия по организации использования этого пара. Применение пара ОКГ позволит сократить энергопотребление «Северстали» на 0,3 %. Реконструкция с целью использования тепла конвертерного газа для подогрева скрапа в условиях действующего производства невозможна.

На зарубежных предприятиях используют тепло конвертерного шлака. Организация горячего посада слябов в нагревательные печи прокатных цехов была бы очень эффективна, но в условиях «Северстали» организован пока только теплый всад (частично). Хотя на зарубежных предприятиях, на которых горячий всад не применяют, используют тепло слябов для получения пара с целью дальнейшей выработки электроэнергии.

Конструкция электросталеплавильной шахтной печи достаточно рациональна и часть тепла отходящих газов используется внутри печи для подогрева лома. Возможно применение тепла отходящих газов для выработки пара или горячей воды, но потенциал их невелик, использование менее экономически оправдано, чем резервов ВЭР в агломерационном производстве. Не утилизируется тепло мартеновского шлака, внедрение непрерывной разливки стали способствовало бы использованию тепла продукции.

Применение для изоляции подовых труб новых изоляционных материалов значительно снизило выработку пара СИО, а реконструкция нагревательных печей, которая проводится в настоящее время, приводит к значительному снижению параметров отходящих газов, поэтом; прогнозируется сокращение выработки пара котлами-утилизаторами, но это компенсируется экономией природного газа в нагревательных печах. Ведутся работы по реконструкции котлов утилизаторов в связи с реконструкцией нагрева тельных печей, что позволит использовать тепло ходящих газов наиболее полно. Как один и резервов увеличения использования ВЭР в прокатных цехах можно рассматривать использование тепла горячего проката. Экономия использования ВЭР “Северстали” показана в таблице 7.

Таблица 7 – Экономия использования ВЭР «Северсталь»

Используемые ВЭР

Удельная экономия энергоресурсов, %/т стали

Горючие ВЭР:

 

коксовый и доменный газы

28

промпродукт

0,5

химические продукты+пековый кокс

3

Избыточное давление:

 

электроэнергия ГУБТ

0,5

Тепловые ВЭР:

 

тепло от котлов-утилизаторов и СИО

4

Всего

36

Т.е. энергопотребление «Северсталь» составило бы 8,5, а не 6,28 Гкал/т стали. Потенциал снижения энергопотребления от использования ВЭР приведен в таблице 8.

Таблица 8 – Потенциал снижения энергопотребления от использования ВЭР

Потенциал снижения энергопотребления от дополнительного использования ВЭР.

Удельная экономия энергоресурсов, %/т стали

Горючие ВЭР:

 

Использование потерь доменного и коксового газов

0,9

Использование конвертерного газа

2,5

Рециклинг угольных шламов

2,5-3

Тепловые ВЭР:

 

Строительство УСТК за коксовыми батареями №5 и 6, реконструкция УСТК №1

0,6

Увеличение использования пара на ПУЭС

0,2

Использование пара котлов-охладителей конвертерных газов

0,3

Ввод установки по использованию тепла отходящих газов кауперов

0,1

Всего

7,1-7,6

Внедрение предложенных выше мероприятий позволит достичь удельного энергопотребления 5,8 Гкал/т стали [29].

Управление использованием вторичных топливных газов на Магнитогорском металлургическом комбинате

Для промышленных предприятий сокращение покупки энергоресурсов – один из важнейших факторов снижения себестоимости продукции, повышения ее рентабельности и обеспечения устойчивого развития. Резервом в этом направлении деятельности промышленных предприятий является вовлечение в энергобаланс (утилизация) вторичных энергоресурсов, образующихся в результате основного технологического процесса. На металлургических предприятиях к таковым относятся, в частности, вторичные топливные газы. Утилизация их обеспечивает разноплановый эффект: экономический от снижения покупки топлива, экологический от уменьшения выбросов ядовитых и парниковых газов.

Магнитогорский металлургический комбинат (ММК) покупает коксующийся уголь, природный газ, электроэнергию и энергетический уголь. За счет внешних, покупных энергоресурсов в энергокомплексе комбината производится большое количество других энергоресурсов, используемых для ведения различных технологических процессов: электроэнергия, пар, тепло, дутье для доменных печей, кислород, азот, аргон, сжатый воздух, техническая и химочищенная вода. В технологических агрегатах как побочные продукты производятся вторичные топливные газы: доменный, коксовый, конвертерный. Из них первые два утилизируются, а конвертерный газ дожигается на свече. Кроме того, тепло отходящих газов за металлургическими агрегатами используется для производства пара.

Задача политики энергосбережения на комбинате — сокращение затрат на покупку энергетических ресурсов — решается, в частности, за счет стремления к полной утилизации вторичных энергоресурсов и наиболее эффективному использованию всех потребляемых на предприятии энергоресурсов (покупных и производимых). Энергосбережение на ММК реализуется в постоянно меняющихся условиях, которые определяются колебаниями объемов производства вследствие экономической ситуации внутри страны и на внешнем рынке, изменениями состава производственных мощностей и структуры производимой продукции. Выход вторичных газов на ММК по годам приведен в таблице 9.

Таблица 9 – Выход вторичных газов на ММК по годам

Год

Выход газа, тыс. м3

Потери газа, тыс. м3

Использование газа, %

доменного

коксового

доменного

Коксового

доменного

коксового

1994

8987988

1662993

173426

18158

98,07

98,91

1995

10099517

1803194

343057

100074

96,60

94,45

1996

8167447

1541864

136222

49931

98,33

96,76

1997

9413076

1737091

114973

16802

98,78

99,03

1998

9598486

1679413

31791

1287

99,67

99,92

1999

10485765

1871726

34106

1883

99,67

99,90

2000

11671212

1960651

87449

5289

99,25

99,73

2001

11710563

1924292

49798

14257

99,57

99,26

2002

12004529

2052047

36490

8206

99,70

99,60

2003

12835977

2303845

124516

8486

99,03

99,63

2004

12896340

2364213

24202

6670

99,81

99,72

Обладающие относительно низкой калорийностью вторичные газы используются в качестве топлива, заменяющего природный газ, в технологических и энергетических установках. Природный газ, в силу своего химического состава, применяют как восстановитель в доменном процессе и как энергетическое топливо. Коксующийся уголь, точнее получаемый из него кокс, представляет собой технологический энергоресурс. Таким образом, снижать затраты на покупку собственно энергетических ресурсов возможно только за счет уменьшения объемов потребления природного газа, электроэнергии и энергетического угля. Энергетический уголь является резервным топливом для ТЭЦ, относительно дорог и экологически более вреден, поэтому использование его невелико и носит вынужденный характер для покрытия потребности в топливе при ограничениях по природному газу со стороны поставщика. В результате, наибольшие усилия по сокращению потребления покупных энергоресурсов на предприятии необходимо сосредоточить на электроэнергии и природном газе.

Вовлечение вторичных газов в энергобаланс предприятия, повышение степени их использования за счет уменьшения потерь и технологических сбросов является прямым путем снижения потребления природного газа в результате замещения вторичными. Максимально полное их использование снижает объем потребления покупного природного газа и тем самым обеспечивает уменьшение энергоемкости продукции. Другим, более сложным видом деятельности в выбранном направлении является повышение эффективности использования вторичных газов, что определяет вытеснение большего объема природного газа из энергобаланса предприятия.

На комбинате существуют системы улавливания, очистки и распределения коксового и доменного газов. Выход (производство) коксового и доменного газов при нормальной работе агрегатов-источников происходит с небольшими колебаниями, которые в определенной степени сглаживаются демпфирующей способностью газопроводов. Наиболее значительные колебания выхода доменного газа создают технологические остановы отдельных доменных печей для проведения планово-предупредительных ремонтов (ППР). Характеристики газов определяют преимущественные направления их использования, набор потребителей. Сравнительно низкая теплотворная способность ограничивает область применения вторичных газов, которые наиболее целесообразно использовать в виде топлива на объектах, характеризующихся большой тепловой инерционностью и относительно невысокими требованиями по диапазону и динамике регулирования. Для полного вовлечения в энергобаланс вторичных топливных газов необходимо обеспечить достаточное количество тепловых и энергетических агрегатов, способных их использовать, и выделить потребителей-регуляторов, способных забирать вторичный газ в соответствии с колебаниями графика его выхода. Структура используемого топлива наиболее крупными потребителями-подразделениями ММК за один месяц представлена в таблице 10.

Таблица 10 – Основные потребители вторичных газов на ММК

Цех

Потребление (доля от суммарного), %

природный газ

коксовый газ

доменный газ

уголь

КХП

0,3

26,54

14,63

-

ГОП

0,1

5,91

-

-

Доменный

26,05

4,25

33,66

-

ЛПЦ-4

3,58

9,65

-

-

ЛПЦ

0,09

6,50

-

-

Сортовой

-

7,94

-

-

ТЭЦ

29,07

-

-

100

ЦЭС

11,46

-

21,99

-

ПВЭС

7,01

25,12

25,19

-

Традиционно доменный газ используют в самом доменном цехе для обогрева воздухонагревателей, а также он является базовым топливом для нагревательных колодцев в обжимном цехе. Часть котлов ЦЭС и ПВЭС были оборудованы для сжигания доменного газа. С увеличением объемов производства, вводом в действие ранее остановленных доменных печей и соответствующим ростом выхода вторичного на ММК на обогрев доменным газом переоборудованы дополнительные потребители — коксовые батареи, для которых этот газ является более технологичным топливом. В настоящее время на ЦЭС и ПВЭС все котлы дооборудованы для использования доменного газа и на ПВЭС построен еще один котел (станционный № 7) с подобной возможностью.

Коксовый газ в 4 раза калорийней доменного и область его применения значительно шире. В списке его потребителей более 20 подразделений ММК и сторонних организаций. Коксовый газ традиционно используют для обогрева коксовых батарей. Для его сжигания дооборудованы котлы на ПВЭС, переоборудованы нагревательные печи сортопрокатного цеха и нагревательные колодцы обжимного цеха, реконструированы три методические печи ЛПЦ-4, с его использованием осуществляется спекание агломерата в агломашинах. Коксовый газ подается и на ряд других объектов. При этом потребителем-регулятором доменного газа является ЦЭС, а коксового – ПВЭС (таблица 11).

Таблица 11 – Потребление вторичных газов электростанциями ММК

Год

Потребность газа

Доля газа в топливном балансе станций, % по теплу

доменный

коксовый

доменного

коксового

суммарная

1994

3025080

325712

16,0

6,9

22,9

1995

4139786

440992

20,6

8,8

29,4

1996

3107477

358507

16,1

7,4

23,5

1997

4387294

351342

22,5

7,2

29,7

1998

4608964

363291

22,8

7,2

30,0

1999

4924823

385092

23,2

7,3

30,5

2000

5276871

439499

23,1

7,7

30,8

2001

5317064

478762

23,1

8,3

31,3

2002

5645739

532207

24,1

9,1

33,2

2003

6115655

571882

24,5

9,2

33,7

2004

6164720

608241

24,4

9,6

34,0

Снижению энергоемкости продукции комбината служит проводимая на предприятии работа по повышению эффективности использования вторичных газов у всех потребителей. Высвобождающиеся при этом коксовый и доменный газы направляются в котлы электростанций для снижения доли природного газа в энергобалансе станций и комбината в целом. Доля вторичных газов в топливе ЦЭС и ПВЭС целенаправленно увеличивается, хотя это и влечет некоторое повышение удельных расходов электроэнергии на станциях за счет роста нагрузки на тягодутьевые механизмы. Выход доменного газа в 2004 г. по сравнению с 1996 г. возрос на 57,9 %, коксового газа на 53,3 %. В результате комплекса мероприятий потребление станциями доменного газа за тот же период увеличилось на 98,4 %, а коксового газа на 69,7 %. Суммарное потребление вторичных газов (в тепловом эквиваленте) электростанциями ММК за этот период повысилось на 89,3 %. В результате в структуре потребления комбинатом природного газа доля электростанций с 1996 по 2004 гг. снизилась с 57,4 до 49,5 %, несмотря на то, что вырабатываемая мощность станций в среднем возросла с 386,3 до 604,3 МВт (на 56,4 %).

Необходимое количество потребителей вторичных газов является решающим фактором для обеспечения полноты их использования, но также важно согласование работы источников и потребителей газов в долговременном и оперативном плане. Определяется это различными режимами работы потребителей, требованиями по надежности, приоритетности снабжения, колебаниями загрузки агрегатов, а также необходимостью ремонта оборудования. Самым благоприятным потребителем вторичных газов с точки зрения равномерности их использования является коксохимическое производство. Вместе с тем, оно имеет высший приоритет по обеспечению топливом. Доменный же цех, являясь источником и одновременно самым крупным потребителем доменного газа, создает очень значительные колебания потребления газа в силу технологических особенностей при переключениях газовых потоков через воздухонагреватели. Следующими по приоритетности снабжения являются технологические цехи, к которым относятся, в частности, ГОП, ЛПЦ, ЛПЦ-4, обжимный и сортовой цехи. Нагревательные печи прокатных цехов создают наибольшие трудности для системы распределения коксового газа. Эти объекты снижают потребление газа до минимальных объемов при дежурных режимах в течение режимных смен и в периоды отсутствия металла и резко наращивают его потребление до максимальных значений при нагреве металла перед прокаткой после окончания технологических простоев. К этому следует добавить создаваемые ими колебания потребления газа для регулирования теплового режима при изменениях интенсивности прокатки и при смене марок и сортамента нагреваемого металла. Низшим уровнем приоритета по обеспечению вторичными газами обладают ЦЭС и ПВЭС, являющиеся потребителями-регуляторами. Они призваны покрыть колебания расхода газов, хотя при этом у них меняются режимы и экономичность работы котлов. Кроме того, следует учитывать графики ремонтов основных агрегатов, возможность их аварийной остановки и располагаемые ресурсы потребителей по наращиванию объемов потребления вторичных газов.

Для решения задачи полного и эффективного использования вторичных газов на ММК создана и совершенствуется система управления потреблением газов. Она включает в себя прогнозирование выхода и потребления газов на долгосрочную (год, месяц) и оперативную (неделя, сутки) перспективу и оперативный контроль степени использования газов и работы потребителей, перераспределение газов при изменениях ситуации.

Основой долговременного прогнозирования объемов выхода и потребления топливных газов является математическая модель, которая должна обеспечивать и задачу нормирования потребления ресурсов. Потребление топлива в каждом подразделении комбината определяется своим набором производственных, технологических и организационных факторов.

Следует отметить, что работа по повышению степени использования вторичных газов на ММК ведется постоянно. Совершенствуются уже имеющиеся структуры и механизмы взаимодействия, в частности, развивается АСУ-“Газ” для повышения достоверности оперативного учета газов и эффективности управления процессом их использования. Прорабатываются возможные схемы и проекты вовлечения в энергобаланс предприятия конвертерного газа, а также коррекс-газа в случае его появления на промплощадке. [30].

  • Черноусов П.И.

Рассмотрена классификация вторичных энергоресурсов, источники образования вторичных энергоресурсов в черной металлургии и способы их утилизации. Проанализированы способы оценки параметров вторичных энергетических ресурсов, современные отечественные и зарубежные технологии утилизации ВЭР агломерационного, коксохимического, доменного и сталеплавильного производства. Описаны современные энергетические теплоиспользующие установки черной металлургии, технологии использования ВЭР на металлургических комбинатах России.

  • вторичные энергетические ресурсы (ВЭР),
  • утилизация отходящих газов,
  • черная металлургия,
  • энергетические установки.
  1. Карабасов Ю.С. Сталь на рубеже столетий. – М.: МИСиС, 2001. – 664 с.
  2. М. В. Самойлов, В. В. Паневчик, А. Н. Ковалев. Основы энергосбережения // Учебное пособие. - Мн.: БГЭУ, 2002. - 198 с.
  3. Методика определения выхода и экономической эффективности использования побочных (вторичных) энергетических ресурсов. – М.: ГКНТ СССР, АН СССР, Госплан СССР, 1972. – 40 с.
  4. Лотош В.Е. Утилизация вторичных энергетических ресурсов. – 2003
  5. Вяткин М.А. Вторичные энергетические ресурсы промышленности. – М.: Всесоюз. заоч. политех. ин-т, 1986. – 44 с.
  6. Металлургия черных и цветных металлов: учебник для металлург. спец. вузов / Е.В.Челищев,П.П.Арсентьев,В.В.Яковлев и др. - М. : Металлургия, 1993. – 446 c.
  7. Б.И.Никифоров, Г.В. Заславец. Энергосбережение на металлургических предприятиях: Монография. – Магнитогорск: МГТУ. 2000.
  8. Розенгарт Ю.И., Мурадова З.А. Теплоэнергетика металлургических заводов: Учебник для вузов. – М: Металлургия, 1985. – 303 с.
  9. Г. И. Розенблит, «Возможности снижения энергоемкости производства продукции черной металлургии за счет рационализации использования вторичных энергоресурсов» // Бюллетень «Черная металлургия» – 2 007, №7.
  10. Schüphaus K. Cleaning of coke-oven gas for use as fuel // Steel Times. – 1997. – 225. – № 5. – P. 186, 188.
  11. Об использовании вторичных энергоресурсов коксохимических производств / П. Т. Петрик, Е. Ю. Темникова, А.Р. Богомолов, Е.А. Кошелев // Ползуновский вестник. – 2004. – № 1.
  12. Лотош В.Е. Технологии основных производств в природопользовании, 3 изд. – Екатеринбург: УрГУПС, 2002. – 553 с.
  13. Ю.И. Розенгарт, Б.И. Якобсон, З.А. Мурадова. Вторичные энергетические ресурсы чёрной металлургии и их использование. – К.: Вища шк., 1988. – 328 с.
  14. Руководство по безопасной эксплуатации мокрых газгольдеров, предназначенных для горючих газов / Помощь по ГОСТам – URL: http://www.gosthelp.ru/text/Rukovodstvopobezopasnojek.html
  15. Схема сухого газгольдера / Газгольдеры – URL: http://gazgold.ru/sukhie-gazgoldery/skhema-sukhogo-gazgoldera/
  16. Хейфец Р.Г., Куваев Г.Н. Теплоэнергетика металлургических заводов: Учебное пособие – Д.: НМетАУ, 2000. – 66 с.
  17. Теплоэнергетика: Учебное пособие. – Днепропетровск, 2005.
  18. Buchanenko H.G. Spezial-Abhitzekessell für Olympic Dam // Erzmetall. – 1999. – 52. – № 10. – S. 555-556.
  19. Глухов В.В., Лисочкина Т.В., Некрасова Т.П. Экономичекие основы экологии: C.-Пт., «Специальная литература», 1995.
  20. Михаилов В.В. Рационально использовать энергетические ресурсы. – М.: Феникс, 2008.
  21. Вторичные теплоэнергоресурсы и охрана окружающей среды / В.В.Харитонов, В.А.Голубев, В.М.Овчинников, В.Л.Лиходиевский. – Минск: Вышейшая шк., 1988. – 171 с.
  22. А. А. Кауфман, Г. Д. Харлампович.Технология коксохимического производства. – Екатеринбург : ВУХИН-НКА, 2005. – 288 с.
  23. Кучеренуо М.Н., Перистый М.М. Парогазовая установка как один из способов утилизации конвертерного газа / Сборник научных трудов студентов физико-химического факультета ДонНТУ. – Донецк: ДонНТУ, 2009.
  24. Применение парогазовых установок в металлургии (Rusmet.ru Ольга Фомина) / Выставки для бизнеса Expo-Pages.com – URL: http://expo-pages.com/stands/event/?stand_id=689&id=3477
  25. Сперкач И.Е. Перспективы внедрения газовых утилизационных бескомпрессорных турбин // Сталь. – 2004.– №2. – С. 2-4.
  26. Сазанов Б.В. Доменные газотурбинные установки. - М.:Металлургия. – 1965.
  27. Л. М. Симонян, А. И. Кочетов. Экологически чистая металлургия: Курс лекций. – М.: МИСиС, 2005.
  28. Быстрицкий Г. Ф. Энергосиловое оборудование промышленных предприятий. – М.: Издательский центр «Академия», 2003 – 304 с.
  29. В. А. Трубчанин, С. А .Волынкин, Т. Е. Громова. Состояние и перспективы утилизации вторичных энергоресурсов на ОАО «Северсталь» / Бюллетень «Черная металлургия», 2005 – №1.
  30. Г. В. Никифоров, Л. А. Концев, Д.В. Поварницын. Управление использованием вторичных топливных газов на Магнитогорском металлургическом комбинате / Бюллетень «Черная металлургия», 2005 – №2.

ПОДЕЛИСЬ ИНТЕРЕСНОЙ ИНФОРМАЦИЕЙ

Черноусов П. И.

Опубликовано Черноусов П. И.

Адрес электронной почты: p.chernou@yandex.ru
  • Образование: Московский институт стали и сплавов, «Металлургия черных металлов»
  • Ученая степень: кандидат технических наук, доцент
  • Место работы, должность: доцент кафедры ЭРЧМ, директор музея истории НИТУ «МИСиС»

Оставь комментарий