close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства на основе использования природного газа в установках сухого тушения кокса

код для вставкиСкачать
2
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Задачи рационального использования энергетических и сырьевых ресурсов, а также снижения вредных выбросов приобретают
все большее значение из-за прогрессирующего сокращения сырьевых и топливно-энергетических запасов планеты. Эти проблемы особенно остро стоят
перед предприятиями черной металлургии, которые потребляют более 10% топлива, добываемого в стране, и являются крупными источниками вредных выбросов. Наиболее крупным потребителем тепловой энергии в отрасли является
коксохимическое производство (КХП).
В настоящее время в РФ производится 30 млн т кокса в год, при этом затраты топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляют 3,5 млн т у.т. В то
же время коксовые батареи – основной источник вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Выход ВЭР составляет около 60% от первичного энергопотребления. Наибольшие потери ВЭР происходят при тушении кокса. Применение
способа мокрого тушения кокса приводит к значительным потерям тепловой
энергии, загрязнению воздушного и водного бассейнов. При сухом тушении
кокса (СТК) тепловая энергия, полученная циркулирующими газами, используется для выработки пара в котлах-утилизаторах (КУ). Однако, в связи с низкими параметрами пара (4МПа, 4400С) на российских металлургических комбинатах (МК) он почти не используется для выработки электроэнергии на теплоутилизационных генерирующих установках. Кроме этого, в существующих установках СТК осуществляется только охлаждение кокса без значительного изменения его прочностных параметров. Однако повышение горячей прочности
кокса существенно влияет на расход кокса в доменных печах. А поскольку доменное производство является одним из наиболее крупных потребителей топлива в отрасли, то расход кокса в доменных печах во многом определяет структуру топливно-энергетического баланса всего МК.
Значимость решения проблем повышения прочности кокса при его сухом
тушении и повышения параметров вырабатываемого в КУ КХП пара определили актуальность темы диссертационного исследования.
Целью настоящей работы является повышение энерготехнологической
эффективности коксохимического производства за счет комплексного решения
проблемы упрочнения кокса и максимально возможного использования тепловых вторичных энергетических ресурсов горячего кокса при его сухом тушении. Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
 определение потенциала энергосбережения и направлений повышения
энерготехнологической эффективности коксохимического производства;
 расчет экономии топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве
в результате повышения прочности кокса;
 разработка и обоснование нового способа сухого тушения кокса с
использованием природного газа;
 определение расхода природного газа, подаваемого в форкамеру установки
сухого тушения кокса с целью упрочнения кокса;
 разработка технологической схемы установки сухого тушения кокса,
позволяющей снизить потери тепловой энергии горячего кокса и повысить
прочность кокса;
3
 моделирование работы теплоутилизационного оборудования на коксохимическом производстве, выбор паровых турбин и определение режимов их работы;
 оценка
энерготехнологической
эффективности
и
экономической
целесообразности применения нового способа сухого тушения кокса в
теплотехнологическом комплексе черной металлургии.
Объектом исследования является энерготехнологическая система СТК,
которая включает в себя установку сухого тушения кокса (УСТК), КУ и систему использования пара, вырабатываемого в КУ. Предметом исследования являются физико-химические процессы, происходящие в УСТК. Теоретической
и методологической базой исследования являются: зависимость прочностных
характеристик кокса от способа его охлаждения; результаты исследований процесса разложения природного газа и взаимодействия продуктов его разложения
с углеродом кокса; методика расчета теплового баланса УСТК.
Научная новизна работы:
 Впервые экспериментально доказана возможность упрочнения кокса в области высоких температур при продувке его природным газом, позволяющая
снизить расход кокса в доменной печи.
 Разработан новый способ сухого тушения и упрочнения кокса с использованием природного газа, позволяющий снизить расход топливно-энергетических
ресурсов в доменном производстве.
 Разработана методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса с определением возросшего выхода кокса и водорода.
 Впервые осуществлено системное решение задачи повышения энерготехнологической эффективности теплотехнологического комплекса черной металлургии за счет упрочнения кокса и увеличения производства тепловой и электрической энергии.
Практическая ценность. Внедрение мероприятия по повышению энерготехнологической эффективности системы сухого тушения кокса позволит:
 увеличить показатель горячей прочности кокса (CSR) на 6,1%, что приведет
к снижению расхода кокса в доменной печи на 12,2 кг кокса на 1 т чугуна;
 увеличить выход кокса из УСТК на 1,04%;
 повысить на 24,6% выработку тепла в КУ, что позволит увеличить выработку электроэнергии на теплоутилизационной электростанции (ТУЭС) и, вследствие этого, сократить объем покупаемой электрической энергии.
В результате расход топливно-энергетических ресурсов на металлургическом комбинате сократится на 3,4%.
Положения выносимые на защиту.
1. Результаты натурного эксперимента по повышению прочности кокса.
2. Новый способ сухого тушения и упрочнения кокса.
3. Методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса с определением возросшего выхода кокса и водорода и результаты
численных расчетов по этой методике.
4. Рекомендации по повышению энерготехнологической эффективности
коксохимического производства.
4
Достоверность. Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных энерготехнологических обследованиях МК
полного цикла ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» и ПАО «Северсталь», экспериментальных
и численных исследованиях
Личный вклад автора. Основные результаты получены лично автором
под руководством д.т.н., проф. Султангузина И.А.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 13, 14, 15, 18,
19 и 22 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва. 2007 – 2016
гг.) и 12 Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему
России» (Магнитогорск, 2011 г.).
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения результаты, представлены в 12 публикациях, 2 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ, 3 – в журналах по перечню рецензируемых изданий SCOPUS и
Web of Science,
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех
глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 3 приложений.
Общий объем работы составляет 126 страниц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, приведены
недостатки УСТК КХП РФ, сформулирована цель и задачи исследования, указана научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика работы и указаны публикации по теме диссертации.
В первой главе приведен результат обзора литературы по теме диссертации, основной задачей которого являлся анализ современного состояния энерготехнологической системы сухого тушения кокса коксохимического производства, конструктивных особенностей УСТК, эксплуатирующихся на МК РФ.
По основным энерготехнологическим показателям проведено сравнение эффективности работы российских УСТК с современными зарубежными установками, в частности, с КХП Японии и Германии, что позволило определить
следующие основные недостатки УСТК КХП РФ:
 низкие параметры пара, получаемого при утилизации теплоты раскаленного кокса (давление 4 МПа, температура до 4400С);
 небольшие размеры камеры охлаждения кокса, что позволяет загружать лишь 50-60 т кокса;
 неэффективное использование пара УСТК.
В диссертационной работе были проанализированы прочностные характеристики кокса, применяемые для определения качества кокса, и дана оценка их
влияния на эффективность работы доменного производства.
Проведенный анализ литературных источников показал, что в настоящее
время в УСТК не полностью используются возможности повышения горячей
прочности кокса. Применяемый в мировой практике традиционный процесс
СТК предусматривает подачу в нижнюю часть УСТК в качестве охлаждающе5
го газа азота или инертных газов, продуктов взаимодействия атмосферного
воздуха с охлаждаемым коксом. Недостатком всех этих методов является то,
что применяемые наборы газов просто отводят тепло с поверхности кокса, а
химического взаимодействия их с поверхностью кокса, ведущего к повышению прочности кокса за счет изменения его молекулярной структуры, при
этом не происходит или оно весьма незначительное.
В диссертационной работе, на базе проведенного энерготехнологического
обследования МК полного цикла ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» был рассмотрен баланс
потребления и выработки ТЭР на КХП, который показал, что энтальпия горячего кокса на выходе из коксовой печи, составляет около 40% от теплоты
сгорания отопительного газа, подаваемого в эту печь.
В результате проведенного энергетического обследования и расчетов был
определен следующий потенциал энергосбережения ТЭР для установок сухого
тушения кокса: при снижении потерь физической теплоты горячего кокса – 0,6
млн т у.т. в год; при повышении горячей прочности кокса – 1,2 млн т у.т. в год.
На основе системного подхода потенциал энергосбережения составляет
1,8 млн т у.т. ТЭР или 50 % от общего потребления ТЭР коксовыми батареями на коксохимическом производстве (в масштабах страны).
Проведен анализ зарубежной и отечественной литературы, в частности,
трудов Афанасьева А.С., Бородулина А.В., Грязнова Н.С., Гюльмалиева А.М.,
Давидзона Р.И., Еремина И.В., Коноваловой Ю.В., Копелиовича Л.В., Курунова И.Ф., Мучника Д.А., Рудыки В.И., Станкевича А.С., Сухорукова В.И.,
Сыскова К.И., Теплитского М.Г., Харламповича Г.Д. и др.
Анализ полученной информации показал высокий потенциал энергосбережения в УСТК и подтвердил необходимость его реализации. В конце главы
сформулированы задачи дальнейшего исследования.
Вторая глава посвящена обоснованию нового способа повышения прочностных характеристик кокса в УСТК и описанию эксперимента, проведенного
с целью повышения горячей прочности кокса. Предлагаемый в диссертационной работе способ СТК был апробирован в лабораторных условиях ФГБОУ ВО
«НИУ «МЭИ» на коксе коксохимического производства ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».
Куски металлургического кокса общим весом 300 г и диаметром частиц 20 мм
поместили в стендовую установку (рис.1, 2).
Согласно схеме, по трубке с диаметром 8 мм в реактор подали природный
газ со скоростью 0,1 м/с и продули установку сначала без нагрева, затем включили нагрев реактора. Постепенно подняли температуру в установке до 95010000С. При такой температуре кокс продували природным газом 2 часа, после
чего нагрев и подачу газа отключили.
Часть обработанного кокса отправили на диагностику прочности в лабораторию ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Результаты замеров прочностных показателей
металлургического кокса до и после обработки метаном приведены в табл. 1.
6
Рис. 1. Фотография установки для экспериментального исследования
Свеча
Отбор газа с помощью
выводящей трубки
Нагревательная печь
Нагревательный
элемент,
который
поддерживал температуру цилиндрической стенки в заданном диапазоне
Куски кокса
Соединительный патрубок
Поддерживающая решетка
Природный газ
Подводящая труба
Рис. 2. Схема установки для экспериментального исследования
Как следует из данных табл.1, после обработки кокса природным газом
величина горячей прочности CSR увеличивается, а значение индекса реакционной способности CRI уменьшается.
Таблица 1
Повышение прочностных характеристик кокса при обработке его природным газом
Индексы прочности До обработки
После обработки
Изменение паракокса
метаном
метаном
метра, %
49,7
55,8
6,1
CSR, %
32,9
29,4
-3,5
CRI, %
7
Вторую часть обработанного кокса использовали для определения прочности кокса методом ядерно-магнитного резонанса (ЯМР).
Повышение прочности кокса было подтверждено исследованием ЯМР 1Н
спектров образцов кокса до и после обработки природным газом. Согласно
спектрам, в необработанном коксе количество водорода составляло 1,09 %, а в
обработанном – 0,76%. Эти результаты согласуются с фундаментальным представлением о структуре углеродистых материалов, согласно которому углерод
имеет следующие кристаллические формы: алмаз, графит и промежуточные
состояния между ними (например, кокс). Атомы углерода в кристаллах алмаза
и графита отличаются тем, что в алмазе они имеют гибридизацию, которую
принято называть «алкильный углерод (САL)», а в графите – гибридизацию, которую принято называть «ароматический углерод (СAR)» (рис.3). В коксе атомы углерода имеют и ту, и другую гибридизацию, и чем больше в коксе атомов САL, тем выше прочность кокса.
НАL
Н2
Н2
САL
СAR
НAR
СН4
САL, Н АL – алкильный углерод и водород;
СAR, НAR – ароматический углерод и водород
Рис. 3. Молекулярная структура кокса
Исходя из того, что:
1) металлургический кокс примерно на 98% состоит из углерода и на 2% из
водорода и других элементов (без учета золы и влаги);
2) спектр ЯМР кокса, полученный при исследовании, состоит из двух пиков:
интенсивный, соответствующий СAR и слабый соответствующий САL,
было предположено, что структура кокса состоит в основном из графитоподобных, углеродных кластеров образованных из атомов углерода в гибридном
состоянии (СAR) и атомов водорода связанных с периферийными атомами. Получается, что при использовании нового способа тушения кокса углерод, образованный в результате разложения природного газа, «сшивает» графитоподобные кластеры кокса прочной химической связью (рис. 3), в результате этого
происходят структурные изменения в коксе за счет увеличения соотношения
САL/СAR, что и приводит к упрочнению кокса.
При проведении анализа результатов измерения прочности кокса и данных исследований ЯМР спектров образцов кокса была установлена зависимость между реакционной способностью кокса и интенсивностью сигнала.
8
Усиление интегральной интенсивности узкого сигнала НАL в спектре ЯМР Н-1
MAS свидетельствует о снижении реакционной способности кокса.
Таким образом, проведенные экспериментальные исследования подтвердили, что при использовании предлагаемого способа сухого тушения кокса его
прочность повышается. В следующей 3 главе приведено теоретическое обоснование результатов, полученных в ходе эксперимента.
В третьей главе было проведено теоретическое обоснование нового способа сухого тушения кокса и рассчитано время реакции термического разложения метана. В результате расчета и анализа был определен расход природного газа, подаваемого с целью упрочнения кокса.
Кинетика разложения метана рассматривается в предположении, что реакция протекает по механизму, который записывается в следующем виде:
2СН4 → С2Н6 + Н2,
С2Н6 → С2Н4 + Н2,
С2Н4 → С2Н2 + Н2,
С2Н2 → 2С + Н2.
(1)
(2)
(3)
(4)
Термическое разложение метана протекает с заметной скоростью при
температурах выше 800 – 900ºС, а продуктами реакции являются этилен и ацетилен, распадающиеся при достаточно небольшом времени реакции с образованием углерода и водорода. Энергия активации разложения метана составляет
около 95 ккал/моль.
Была составлена и решена система кинетических уравнений, описывающих
процесс термического разложения метана. Для решения использовался математический пакет MAPLE-13. Аналитическое решение системы дифференциальных уравнений (1) – (4) выполнено для начальных условий (t=0, [CH 4 ] = [CH 4 ] 0
= 1, [C 2 H 6 ] =0, [C2 H 4 ] =0, [C 2 H 2 ] =0, [C] =0, [H 2 ] =0, Т=900 0С):
[CH 4 ]  СН 4 0 e k1t ,
k1
1
[C 2 H 6 ]  СН 4 0
(e  k 2 t  e  k1t ) ,
2
k1  k 2
[C2 H 4 ] 
(5)
(6)
k1k2 [CH 4 ]0
e  k1t
e  k 2t
e  k3t
[


]
2
(k2  k1 )(k3  k1 ) (k1  k2 )(k3  k2 ) (k1  k3 )(k2  k3 )

(7)

k1k 3
1
CH 4 0
(k 3  k 4 )e k1t  (k1  k 4 )e k3t  (k1  k 3 )e k4 t , (8)
2
(k1  k 3 )(k1  k 4 )(k 3  k 4 )
k1
[C]  СН 4 0
(e  k 4 t  e  k1t ) ,
(9)
k1  k 4
[C 2 H 2 ] 
[Н 2 ]t  2  2[CH 4 ]t  3[C 2 H 6 ]t  2[C 2 H 4 ]t  [C 2 H 2 ]t ,
(10)
где k1, k 2 , k 3 , k 4 – константы скоростей химических реакций, вывод которых
приведен в диссертации, сек-1.
В результате анализа полученных результатов было установлено, что реакция термического разложения метана протекает практически «мгновенно».
Полное разложение метана на углерод и водород при температуре 9000С дости9
гается за время, равное 1,5 – 2 сек (рис.4). Следовательно, при контакте с горячим коксом и процесс упрочнения кокса также должен идти быстро.
Результаты расчета по уравнениям (5) – (10) представлены на рис. 4.
Представляет интерес сопоставить результаты кинетических расчетов при
больших значениях температур с равновесным составом продуктов термического разложения метана. Выполненные с этой целью термодинамические расчеты равновесного состава реакции разложения метана, в зависимости от температуры показали, что доля разложения метана растет от 84 до 98% при увеличении температуры от 800 до 12000С. Этот показатель был учтен в дальнейших расчетах: и при расчете количества природного газа, необходимого для
упрочнения кокса, и при расчете теплового баланса установки.
Рис.4. Зависимость числа молей компонентов от времени при термическом разложении метана при t = 900 0С
Кроме вышеуказанного фактора на объем природного газа, подаваемого с
целью упрочнения кокса, влияет также площадь реакционной поверхности соприкосновения реагирующих веществ. В работе были использованы различные
методы для решения этой задачи.
Во-первых, была определена структура кусков кокса по их диаметру, пористости кокса и среднему диаметру пор. Для этого использовалась статистическая информация о размере кусков кокса, полученная с ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» и
данные, полученные в главе 1 в результате проведенного литературного обзора
(пористость кокса составляет в среднем от 49 до 53%, а средний диаметр пор –
от 100 до 200 Ả). В результате проведенных расчетов и анализа был определен
расход природного газа, величина которого составила 15,7 м3 на каждую тонну
охлаждаемого в УСТК кокса;
Во-вторых, при расчете принималось, что выделяющийся в результате
термической реакции разложения метана углерод, оседая на кокс, соединяет
между собой углеродные кластеры кокса. Согласно многочисленным экспериментальным данным по рентгенографическим исследованиям кокса один слой
состоит, в среднем, из семи конденсированных ароматических колец, которые
10
включают 24 атома углерода. В одном кластере в среднем 4 слоя (рис.5). Следовательно, в одном кластере число атомов углерода составляет 96.
Два углеродных кластера, каждый из которых состоят из 96 атомов углерода, одной метиленовой группой соединены между собою. Следовательно, в
среднем на 96 атомов углерода расходуется одна молекула СН4, или на 1152 г
(96·12г) кокса расходуется 16 г метана (0,0224 м3). Следовательно, на упрочнение 1 тонны кокса необходимо 19,44 м3 метана.
Для дальнейших расчетов в диссертационной работе принято максимальное значение из полученных – 19,44 м3.
Рис. 5. Модель структуры кокса: С – углерод, Н – водород, 96 С – углеродный кластер
Кроме упрочнения кокса при термической реакции разложения природного газа дополнительно вырабатывается водород, дожигание которого позволит
повысить температуру газов в газовом тракте, что обеспечит увеличение выработки пара в КУ. Выход водорода составит 38,88 м3 на каждую тонну охлаждаемого в УСТК кокса.
Полученные значения расхода природного газа используются в следующей
главе для оценки влияния применения нового способа упрочнения и тушения
кокса на энергетический баланс КХП в частности и МК в целом.
В четвертой главе были рассмотрены вопросы, связанные с задачей
практической реализации предлагаемого в диссертационной работе способа
сухого тушения кокса. Была предложена и обоснована методика расчета теплового баланса системы сухого тушения кокса после модернизации.
В диссертационной работе для схемы энерготехнологической системы СТК
предлагаются следующие технологические решения (рис.6):
а) подача природного газа в форкамеру. Для этого в УСТК необходимо по
периметру форкамеры врезать форсунки. Количество форсунок зависит от размеров установки и определяется требованиями к обеспечению равномерного
течения природного газа по объему кокса в форкамере. В результате нагрева
природного газа и последующей эндотермической реакции термического разложения кокс будет охлажден, по результатам проведенных в диссертации расчетов, с 1050 до 9830С. Дальнейшее охлаждение кокса в УСТК осуществляется
циркулирующими газами, расход которых определяется из требований к температуре кокса перед выгрузкой. Зона подачи природного газа выше зоны отвода циркулирующих газов;
б) отвод продуктов термического разложения природного газа через
канал, расположенный в верхней части форкамеры;
11
в) подача в газоход и дожигание с воздухом (кислородом) продуктов
термического разложения природного газа. Для этого канал, через который из
форкамеры УСТК отводятся продукты термического разложения природного
газа, соединяют трубопроводом с газоотводящим трактом. Перед газоходом эти
продукты сжигают в специальной камере, в которую для этого подается воздух/кислород. Продукты сгорания далее подаются в газоход между УСТК и КУ
в результате чего энергетический потенциал циркулирующих в нем газов увеличивается и, как следствие, растет выработка пара в КУ;
г) отвод избыточного количества циркулирующих газов. Для этого диаметр существующего канала отвода избыточных газов может быть расширен до
необходимого;
Кокс
(10500С)
Н2
СН4
Воздух на
горение
пар
Циркулирующий
газ (8000С)
КУ
Циркулирующий газ
(1500С)
Кокс
(2000С)
ПТУ
э.э.
т.э.
питательная вода
Отвод избыточного
циркулирующего газа
Рис. 6. Предлагаемые технологические решения для УСТК: ПТУ – паротурбинная установка, э.э. – электроэнергия, т.э. – тепловая энергия
д) подача пара в паротурбинную установку (ПТУ) для выработки электроэнергии.
Изменение химического состава охлаждающего газа возможно в следующих точках системы: в шахте УСТК при контакте охлаждающего газа с коксом
(по всей ее высоте в результате угара кокса); в зоне подвода природного газа
(в форкамере); при добавлении воздуха в систему (сгорание горючих составляющих охлаждающего газа). На остальных участках контура циркуляции
охлаждающего газа изменяется только объем без изменения концентрации
компонентов. Химический состав охлаждающего газа после определенного
числа циркуляционных циклов от начала работы УСТК устанавливается постоянным. Необходимое количество циклов зависит от первоначального хи12
мического состава газа. Внутри УСТК под влиянием температуры протекают
следующие химические реакции: реакции Будуара; образования водяного
пара и метана; разложения в области высоких температур метана на водород
и углерод и упрочнения кокса.
Так как процесс газификации находится в состоянии равновесия, то химический состав охлаждающего газа устанавливается только на основании
проходящих в УСТК реакций.
С целью определения количества циркулирующих газов, а также количества и параметров пара, вырабатываемого в КУ, был проведен расчет теплового и материального баланса для традиционной энерготехнологической системы СТК и для системы с подачей природного газа в форкамеру УСТК. В результате проведенных расчетов были определены следующие показатели:
 объем и температура циркулирующих газов на входе и выходе из УСТК и
КУ;
 количество подаваемого природного газа;
 состав, объем и температура продуктов реакции термического разложения
природного газа;
 объем воздуха/кислорода, подаваемого в газовый тракт между УСТК и КУ с
целью сжигания продуктов термического разложения природного газа;
 количество и параметры пара, вырабатываемого в КУ.
Традиционная энерготехнологическая система СТК. Результаты расчета
теплового и материального баланса приведены в таблицах 2 и 3.
Таблица 2
Тепловой баланс традиционной УСТК при производительности 56 т/ч
Расход тепла
Приход тепла
ГДж/ч
%
ГДж/ч
%
Статья
Статья
91,20
93,0
11,19
11,4
Горячий кокс
Потуш.кокс
0,04
0,0
4,29
4,4
Воздух
Потери
82,61
6,85
7,0
86,2
Угар
Пар
ИТОГО
98,09
100,0
ИТОГО
98,09
100,0
Таблица 3
Материальный баланс традиционной УСТК при производительности 56 т/ч
Приход
Расход
значение размерность
значение размерность
Статья
Статья
56,0
т/ч
55,8
т/ч
Горячий кокс
Потуш.кокс
2,2
т/ч
2,4
т/ч
Воздух
Утечки цирк.газов
0
28,7
т/ч
Пар (4Мпа, 440 С)
28,7
т/ч
Питат. вода
т/ч
т/ч
ИТОГО
86,9
ИТОГО
86,9
Энерготехнологическая система СТК с использованием нового способа
сухого тушения кокса. Охлаждение кокса осуществляется в два этапа:
- на первом этапе кокс охлаждается в результате проходящей реакции эндотермического разложения природного газа;
- на втором этапе кокс охлаждается циркулирующими газами.
13
На 1 этапе охлаждения, кроме тушения кокса также повышается прочность
кокса в результате происходящих структурных изменений в коксе за счет увеличения соотношения САL/СAR, т.е. при этом будут получены одновременно
технологический и энергетический эффект.
В диссертационной работе была разработана методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса, решение уравнения которой позволило определить количество вырабатываемого в КУ пара и расхода
природного газа, подаваемого в УСТК для упрочнения кокса:
энд
(14)
Qк  Qу  QСН 4  Qреак
 Qпрод  Qц.г  Qп.у  Qатм
УСТК
экз
КУ
Qпрод  Qц.г
 Qв  Qреак
 Qпар  Qо.с  Qсбр  Qц.г
(15)
где Qк – теплота, получаемая при охлаждении кокса в камере тушения; Qу – теплота, получаемая в результате угара части кокса при тушении; QСН4 – энергеэнд
тический потенциал природного газа; Qреак
– теплота, необходимая для эндотермической реакции разложения метана; Qпрод – теплота, уносимая из камеры
тушения газообразными продуктами разложения природного газа; Qц.г – теплота, переданная от кокса к циркулирующим газам; Qп.у – теплота, теряемая
вследствие подсоса и утечек циркулирующих газов в системе; Qатм – теплота,
УСТК
теряемая поверхностью камеры тушения в атмосферу; Qц.г
– энергетический
потенциал циркулирующих газов, выходящих из УСТК; Qв– энергетический
экз
потенциал воздуха, поступающего на горение; Qреак
– тепло, выделившееся
при экзотермической реакции горения газообразных продуктов разложения
природного газа; Qпар – теплота, переданная пару в котельном агрегате; Qо.с –
теплота, теряемая котельным агрегатом в окружающую среду; Qсбр – тепло, теКУ
ряемое с избыточными циркулирующими газами; Qц.г
– энергетический потенциал циркулирующих газов, выходящих из КУ за вычетом энтальпии избыточных газов.
Из реакции термического распада СН4:
СН4 → 2Н2 + Ссажа – 3530 кДж/м3, СН4
(16)
и установленной в работе зависимости доли разложения природного газа от
температуры (в расчете принято значение 95%), было найдено (значения приведены на 1 т кокса):
- количество углерода, осажденного на коксе, g к , углерода, который
«сшивает» графитоподобные кластеры кокса прочной химической связью:
10,41 кг (19,44/0,0224·12=10416 г.);
- количество подаваемого в УСТК метана: 20,5 м3 (19,4/0,95).
Определена температура внутри форкамеры УСТК после разложения природного газа. При условии 95% термического разложения метана она составляет 9830С. Расчет проводился исходя из положения о равенстве теплосодержания
всех потоков внутри форкамеры УСТК до и после реакции термического разложения природного газа.
Газообразные продукты реакции (из каждого 1 м3 природного газа образуется 1,9 м3 водорода и 0,05 м3 природного газа, который не разлагается) отводятся из форкамеры, далее подаются в газоход между УСТК и КУ, на входе в
14
который дожигаются с воздухом (кислородом), что позволит повысить паропроизводительность энерготехнологической системы УСТК-КУ и избежать
взрывоопасных концентраций циркуляционного газа. Отметим, что при предлагаемой обработке кокса метаном в УСТК будут получены одновременно технологический и энергетический эффект.
При подаче воздуха с температурой 200С, энтальпия, вносимая продуктами
горения, составит 0,41 ГДж/т кокса. Методом последовательных приближений
вычислены значения энергетического потенциала циркулирующих газов перед
КУ и показано, что температура их составит 9450С. Результаты расчета теплового и материального балансов представлены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
Тепловой баланс УСТК при производительности 56 т/ч с использованием нового способа
сухого тушения кокса
Приход тепла
Расход тепла
ГДж/ч
%
ГДж/ч
%
Статья
Статья
91,2
73,6
11,3
9,1
Горячий кокс
Потуш.кокс
0,2
0,2
4,1
3,3
Воздух и прир.газ
Потери
104,6
6,9
5,6
84,5
Угар
Пар
25,5
20,6
3,8
3,1
Экзореакция
Эндореакция
ИТОГО
123,8
100,0
ИТОГО
123,8
100,0
Таблица 5
Материальный баланс УСТК при производительности 56 т/ч с использованием нового способа сухого тушения кокса
Приход
Расход
значение
размерность
значение
размерность
Статья
Статья
Горячий кокс
56
т/ч
Потуш.кокс
56,4
т/ч
Воздух
9,8 (7540)
т/ч (м3/ч ) Утечки ц.г.
2,1 (1811)
т/ч (м3/ч )
Прир.газ
0,8 (1146)
т/ч (м3/ч ) Отвод ц.г.
8,1 (6876)
т/ч (м3/ч )
0
Питат. вода
35,8
т/ч
Пар (4Мпа, 440 С)
35,8
т/ч
ИТОГО
102,4
т/ч
ИТОГО
102,4
т/ч
Прирост выработки пара (на одной УСТК производительностью 56 т/ч при
параметрах пара 4400С, 4 МПа) при использовании предлагаемого в работе нового способа сухого тушения кокса составит 24,6% или 7,1 т/ч (выработка пара
изменится с 512 до 638 кг пара/т кокса).
Также рассмотрен вариант, при котором на дожигание продуктов термического разложения природного газа вместо воздуха подается кислород. В этом
случае количество избыточных циркулирующих газов уменьшается с 6876
м3/час до 2458 м3/час. Температура циркулирующих газов перед КУ повышается с 945 до 9870С, а количество вырабатываемого пара при тех же параметрах –
до 36,59 т/час (прирост выработки пара по сравнению с традиционной УСТК
составит 25,6%; выработка пара изменится с 512 до 653 кг пара/т кокса).
Определение оптимального энерготехнологического оборудования (котел-утилизатор УСТК и паровая турбина) для утилизации высокотемпературных тепловых ВЭР. Решение такой задачи может быть осуществлено с помощью метода построения TQ-диаграммы (диаграмма: температура (Т) – энтальпия или утилизируемая теплота (Q)). Данный метод оказался эффективным
15
для анализа и совершенствования систем утилизации дымовых газов нагревательных печей прокатных станов. Он имеет также другие названия, например:
диаграмма Линнхоффа (по имени основателя предложенного метода) или метод
пинч-анализа (минимальных температурных интервалов между горячим и холодным тепловыми потоками). В последнее время пинч-анализ, основанный на
тепловой интеграции энерготехнологических процессов, находит все более широкое применение, как в различных областях промышленности (прежде всего, в
нефте- и газоперерабатывающей), а также в энергетике (в частности, при проектировании парогазовых установок) для решения задачи минимизации потребления энергии.
На рис. 7 представлена TQ – диаграмма процессов теплообмена, происходящих в КУ, при выработке пара давлением 4 МПа, температурой 4400С.
Рис. 7. TQ – диаграмма, 1 – поток циркулирующих газов; 2 – поток питательной воды/пара: а) при использовании традиционной УСТК, б) при новом способе СТК.
В настоящее время в мировой практике используются УСТК производительностью до 250 т/ч с более высокими параметрами вырабатываемого пара (давление 9-13 МПа, температура 5400С). С учетом этого было рассчитано количество вырабатываемого пара при различных параметрах пара и при разной производительности УСТК (табл. 6). Результаты расчета показывают, что использование УСТК большей производительности дает возможность увеличить количество вырабатываемого пара.
16
В настоящее время ГП «Гипрококс» разрабатывает и строит одни из самых эффективных УСТК, осуществляет поиск новых путей для дальнейшего
развития и уже сейчас разрабатывает и предлагает УСТК производительностью
100-160 т/ч. Поэтому можно утверждать, что, с учетом требований производства, предлагаемый способ тушения кокса может быть реализован на УСТК производительностью 150-200 т/ч. Утилизация тепловой энергии ВЭР горячего
кокса, вырабатываемого на МК всеми коксовыми батареями, на одной УСТК
позволит получать в КУ пар высоких параметров и это даст возможность применять для выработки электроэнергии турбины большей единичной мощности.
Таблица 6
Количество вырабатываемого пара при использовании нового способа сухого тушения
кокса
Параметры перегретого пара
Производительность УСТК, т/ч
0
С
МПа
56
150
200
4
440
35,75
96,9
129,4
7,7
488
34,96
94,7
126,5
8,8
535
33,77
91,5
122,2
12,8
555
33,67
91,2
121,9
Таблица 7
Возможная выработка пара в энерготехнологической системе УСТК-КУ
Предприятие
Годовая выраВыработка пара, т/ч
ботка кокса
Параметры перегретого пара
(влажность
4 МПа, 7,7 МПа, 8,8 МПа, 12,8 МПа,
6%), млн. т/год 4400С
4880С
5350С
5550С
ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»
3,42
262
256
247
246
ОАО «ЕВРАЗ НТМК»
2,99
229
224
216
215
ПАО «Северсталь»
4,09
313
306
295
295
ОАО «Алтай-кокс»
4,6
352
344
332
331
ПАО «НЛМК»
2,52
193
188
182
182
ОАО «ММК»
5,1
390
381
368
367
ООО «Мечел-кокс»
3,6
275
269
260
259
ОАО «Москокс»
0,72
55
54
52
52
ОАО «Кокс»
3
229
224
217
216
Усредненный МК
3
229
224
217
216
В целом по МК РФ
31
2371
2318
2240
2233
Опираясь на данные по выработке кокса на ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» и ПАО
«Северсталь», а также данные для усредненного МК (УМК), было рассчитано
количество пара, вырабатываемого в КУ на этих предприятиях (табл. 7) при использовании сухого тушения для всего вырабатываемого кокса.
При таких параметрах пара возможно осуществлять выработку электроэнергии на турбинах большей единичной мощности с более высокими параметрами (табл.8). В настоящее время для утилизации тепловых ВЭР на существующих в РФ УСТК используются турбины мощностью до 12 МВт, в то же
время за рубежом, в частности в Японии и Германии, уже применяю турбины
единичной мощностью 30-40 МВт.
17
Применение нового способа тушения кокса для всего объема кокса, вырабатываемого в коксовых печах КХП МК, приведет к увеличению выработки
электрической энергии в энерготехнологической системе УСТК-КУ-ПТУ и, как
следствие, к экономии затрат на покупку электроэнергии для собственных
нужд МК. Прирост электрической мощности на МК при выдаче кокса от 1,5 до
4,5 тыс. т кокса в год, составит от 21 до 63 МВт.
Таблица 8
Параметры турбоагрегатов, возможных к использованию на УСТК при внедрении
нового способа сухого тушения кокса
Вид турбины
Показатель
Мощность, Расход свежего пара,
Параметры свежего пара
МВт
т/ч
ном./мах
конд.
давление, температура, 0С
режим
режим
МПа
ПТ-65/100-90/10-2
65/100
400/405
299
8,8
535
ПТ-50/60-130/7-2М
50/60
274/300
188
12,8
555
ПТ-40/50-90/13
40/50
238/240
202
8,8
535
ПТ-30/35-90/10-5М
30/35
190/240
119
8,8
535
ПТ-12/13-3,4/1,0-1
12,5/13,5
106,7
56,2
3,4
435
Т-60/65-130-2М
60/65
280/300
224
12,8
555
Т-50-130-6М
50/60
245/255
180
12,8
555
Т-50/60-8,8*
50/60
246/255
8,8
535
К-130-12,8*
130
390
390
12,8
540
К-63-8,8*
63
257/265
265
8,8
500
* - давление в МПа
В диссертационной работе с использованием программно-информационной
системы «ОптиМет» был рассчитан баланс УМК до и после внедрения предлагаемых в диссертационной работе мероприятий. При проведении оптимизация
ТЭБ УМК были дополнительно заданы следующие параметры:
 верхний предел расхода природного газа в УСТК – 20,5 м3/т кокса;
 доля кокса, направляемого на сухое тушение – 100%;
 параметры пара на ТУЭС – 12,8 МПа, 5550С.
В таблице 9 приведены результаты расчетов изменяющихся составляющих
топливно-энергетического баланса УМК в годовом разрезе.
Таблица 9
Оценка изменения ТЭБ УМК при применении нового способа СТК
Показатели
Значение показателя, тыс. т у.т./год
Изменение
показателя,
Традиционный
Новый
тыс. т у.т./год
способ СТК
способ СТК
Расход угольной шихты
5116
4931
-185
Расход природного газа
2236
2314
+78
Покупка электроэнергии из
487
338
-149
энергосистемы
-255 (-3,4 %)
ИТОГО
В результате расход энергии на выработку тонны стали сокращается на 215,4
Мкал/т стали (0,9 ГДж/т стали), что составляет 3,4 %.
Экономический эффект для УМК составит 2 млрд руб./год.
18
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Потенциал энергосбережения в КХП за счет комплексного решения проблемы упрочнения кокса и максимально возможного использования тепловых
ВЭР горячего кокса составляет 1,8 млн т у.т., из них 1,2 млн т у.т. от снижения
расхода кокса в доменных печах в результате повышения его прочности.
2. Проведен натурный эксперимент и осуществлена разработка и обоснование нового способа сухого тушения кокса, применение которого позволит:
 снизить расход кокса в доменной печи на 12,2 кг кокса на 1 т чугуна.
При выплавке 3,2-9,5 млн т чугуна в год снижение расхода кокса составит 38,4115 тыс. т кокса в год;
 увеличить выход кокса из УСТК на 1,04 % в результате осаждения углерода при термической реакции разложения природного газа в форкамере
УСТК. При выдаче 1,5-4,5 млн т кокса в год увеличение составит 15-47 тыс. т
кокса.
В результате расход коксующихся углей снижается на 3,6%.
3. На основании анализа структуры кокса определен расход природного газа, подаваемый на упрочнение 1 т кокса – 20,5 м3.
4. Разработана технологическая схема УСТК с использованием нового способа СТК при внедрении которой прочность кокса возрастет на 6,1% , выработка тепловой энергии в КУ на 24,6 % , а выработка электроэнергии – на 122,5
кВт·ч/т кокса.
5. Проведены расчеты по выработке пара и осуществлено моделирование
работы утилизационного оборудования на КХП российских МК.
6. Рассчитан энерготехнологический эффект для УМК: потребления ТЭР
на МК сокращается на 255 тыс. т у.т. (3,4%), что приводит к снижению удельного расхода энергии на выработку тонны стали с на 215,4 Мкал/т стали (0,9
ГДж/т стали).
Суммарный экономический эффект для металлургического комбината в зависимости от мощности его КХП составит 0,8-2,4 млрд руб.
Содержание диссертации изложено в следующих работах:
Публикации по перечню рецензируемых изданий ВАК
1. Гюльмалиев А.М. Компьютерное моделирование прочности металлургического кокса / А.М. Гюльмалиев, И.А. Султангузин, В.В. Бологова // Химия
твердого топлива. – 2012. – № 2. – С. 22-24.
2. Бологова В.В. Об одном из способов повышения качества кокса в установке сухого тушения кокса / В.В. Бологова, И.А. Султангузин, А.М. Гюльмалиев // Кокс и химия. – 2011. – № 10. – С. 12-17.
По перечню рецензируемых изданий SCOPUS и Web of Science
3. Sultanguzin I.A. Improving Coke-Plant Efficiency by Dry Quenching with
Natural Gas / I.A. Sultanguzin, V.V. Bologova, A.M. Gyul’maliev, V.S. Glazov,
R.B. Belov // Coke and Chemistry. – 2016. – V.59. – № 2. – P. 61-67.
4. Gyul’maliev A.M. Simulation of the Strength of Metallurgical Coke / A.M.
Gyul’maliev, I.A. Sultanguzin, V.V. Bologova // Solid Fuel Chemistry. – 2012. –
V.46. – № 2. – P. 90-92.
19
5. Bologova V.V. Enhancing Coke Quality in Dry Slaking / V.V. Bologova, I.A.
Sultanguzin, A.M. Gyul’maliev // Coke and Chemistry. – 2011. – V.54. – № 10. – P.
362-365.
Публикации в других изданиях
6. Султангузин И.А. Повышение энерготехнологической эффективности
коксохимического производства на основе использования природного газа в установках сухого тушения кокса / И.А. Султангузин, В.В. Бологова, А.М.
Гюльмалиев, В.С. Глазов, Р.Б. Белов // Кокс и химия. – 2016. – № 2. – С. 34-41.
7. Бологова В.В. Оценка энергетической эффективности применения нового способа сухого тушения кокса / В.В. Бологова, И.А. Султангузин // 22-ая
Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. –
2016. – Т. 2. – С. 334.
8. Бологова В.В. Повышение энерготехнологической эффективности системы сухого тушения кокса / В.В. Бологова, И.А. Султангузин // 19-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. –2013.
– Т. 3. – С. 178.
9. Бологова В.В. Оптимизация коксохимического производства по энергетическому критерию/ В.В. Бологова, М.В. Исаев, И.А. Султангузин // Энергетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 12-й Всерос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. Магнитогорск: Изд-во
Магнитогорск. – 2011. – С. 48-51.
10.
Бологова В.В. Повышение качества кокса при обработке его природным газом в УСТК / В.В. Бологова, И.А. Султангузин, А.М. Гюльмалиев //
Материалы V-ой Международной научно-практической конференции «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология.
Безопасность технологических процессов». М.: Издательство МИСиС. – 2010. –
С. 29-35.
11.Исаев М.В. Разработка единой математической модели горения и теплообмена на основе программного комплекса FLUENT/ М.В. Исаев, В.В. Бологова, И.А. Султангузин // 14-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика».
М.: Издательский дом МЭИ. – 2008. – Т. 2. – С. 393-394.
12. Бологова В.В. Анализ энергетической и экономической эффективности
системы утилизации пара установок сухого тушения кокса / В.В. Бологова,
М.В. Исаев, И.А. Султангузин // 13-ая Международная научно-техническая
конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и
энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. – 2007. – Т. 2. – С. 486-487.
Подписано в печать
Зак.
Тир.
П.л.
Типография Издательства ФГБОУ ВО НИУ«МЭИ», Красноказарменная ул., д.13
20
.
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа