Металлургическое предприятие как энергетическая система
Потребление энергии в структуре предприятия
Предприятия черной металлургии потребляет большое количество топлива, тепловой и электрической энергии.
В целом, структура потребления энергии на металлургическом предприятии ориентирована в основном на использование топлива, которое широко используется на всех стадиях металлургического производства.
Наиболее энергоемким являются доменное производства и горячая обработка металлов давлением, в которых потребляется и набольшее количество печного топлива. В то время как электроэнергия в качестве основного ресурса используется для выплавки стали в электропечах и при производстве кислорода. Затраты энергии на производство продукции определяются энергоемкостью, которая является одним из наиважнейших показателей производства, поскольку определяет его эффективность и напрямую влияет на себестоимость продукции.
Энергоемкость продукции — показатель, характеризующий расход энергии на единицу производимой продукции. В энергоемкость включаются все виды топлива и энергии, потребленные на производственно-эксплуатационные нужды: электрической, тепловой энергии, израсходованной на технологические нужды, которую пересчитывают в тонны условного топлива (или гигаджоули - ГДж).
Тонна условного топлива (т у.т.) - единица измерения энергии, равная 2,93×1010 Дж, которая определяется как количество энергии, выделяющееся при сгорании 1 тонны топлива с теплотворной способностью 7000 ккал/кг (соответствует типичной теплотворной способности каменного угля). Средние затраты энергии на производство 1 тонны готового проката составляют:
Россия и Украина - 1,24;
Япония – 0,90;
страны Евросоюза – 0,99 т у.т./т.
В целом энергоемкость произведенного проката зависит от способов выплавки стали и ее разливки. Так, в случае производства сортового проката с использованием слиткового передела, затраты на 1 тонну проката составят 1350 кг у.т./т, а при разливке на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) - 1180 кг у.т./т. При производстве же тонколистового проката из мартеновской стали и разливки в слитки, затраты на 1 тонну проката составят 1110 кг у.т./т, в то время как при использовании кислородно-конвертерного способа и разливки на МНЛЗ – 1070 кг у.т./т. Такая небольшая разница объясняется тем, что в мартеновском производстве можно использовать большое количество металлолома, на получение которого практически не надо затрачивать энергию, в то время как шихта для кислородного конвертера состоит в основном из чугуна, производство которого, довольно энергозатратно. Поэтому, даже учитывая то, что кислородно-конвертерный способ сам по себе экономичнее мартеновского в 12–18 раз, сквозные затраты энергии при переходе с одного способа на другой фактически не уменьшаются. В то время, как переход от получения заготовки с помощью слиткового передела к разливке на МНЛЗ существенно уменьшает энергозатраты на производство готового проката.
Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии
Большинство металлургических агрегатов (особенно устаревшей конструкции, например, мартеновские печи) наряду с большим потреблением энергоресурсов имеют и низкий коэффициент полезного действия, что приводит к большим потерям тепловой энергии в окружающую среду, которую можно было бы использовать на другие производственные нужды. Также, в некоторых металлургических агрегатах в процессе производства основной продукции образуются технологические газы, которые можно использовать в качестве топлива в нагревательных печах самого предприятия или для получения электроэнергии или горячей воды и пара.
Эти освобождающиеся ресурсы получили название вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).
В соответствии с официальным определением, вторичные энергоресурсы – это энергетический потенциал (запас энергии ввиде физической теплоты, потенциальной энергии избыточногодавления, химической энергии и др.) продукции, отходов, побочных и промежуточных продуктов, которые не могут бытьиспользованы в самом агрегате, но могут частично или полностью применяться для энергоснабжения других потребителей.По виду содержащегося в них энергетического потенциалаВЭР подразделяются на три основных группы: горючие, тепловые и избыточного давления.
Горючие ВЭР – это отходы одного производства, которые могут быть утилизированы непосредственно в виде топлива в других производствах. В основном к ним относятся технологические газы черной и цветной металлургии. Горючие ВЭР – это наиболее распространенный вид энергетических отходов, которые используются на большинстве предприятий и составляют существенную долю в общем балансе топлива (до 25% и более).
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. Тепловых ВЭР вырабатываются практически в каждом металлургическом агрегате и могут быть использованы в котла-утилизаторах, системах испарительного охлаждения (СИО) промышленных печей, различного рода теплообменниках или контактных нагревателях.
В то же время, на отечественных предприятиях используются в основном высокотемпературные тепловые ВЭР. Значительно реже используются среднетемпературные и низкотемпературные энергетические отходы. Использование низкотемпературных ВЭР возможно в так называемой турбине Рэнкина (Organic Rankine Cycle – ORC), в которой в качестве рабочего тела используется органическая жидкость с низкой температурой кипения (аммиак, фреон, бутан и пр.). Низкотемпературные ВЭР пропускаются через теплообменник, где отдают свою энергию этой жидкости, которая затем поступает в турбину для выработки электроэнергии.
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, например в мартеновских печах и нагревательных колодцах прокатных станов), к вторичным энергоресурсам не относятся.
ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия покидающих установку газов, воды или пара, имеющих повышенное давление, которое может быть использовано перед выбросом в окружающую среду. ВЭР избыточного давления образуются в ряде металлургических, химических, нефтеперерабатывающих производств. Ими могут обладать как жидкие, так и газообразные отходы. Основное направление утилизации таких ВЭР – получение электрической или механической энергии. В черной металлургии избыточное давление доменного газа используют, например, в газовых утилизационных бескомпрессорных турбинах (ГУБТ).
На предприятиях черной металлургии активно образуются все три вида ВЭР.
К горючим ВЭР относятся доменный, конвертерный и коксовый газы. Они же являются высокопотенциальными тепловыми выбросами с температурой от 300 до 1600°С, а доменный газ обладает также избыточным давлением. Наиболее мощным вторичным энергетическим ресурсом является доменный газ. В частности, за счет его сжигания в газовом балансе металлургических предприятий покрывается 35–45% потребности в теплоте.
Характеристика доменного газа: температура 175–250°С, выход 1100–2200 м3/т чугуна; химический состав, %: 23–40 CO, 12–22 CO2, 1,5–6,0 H2, остальное – азот; теплота сгорания ~ 4 МДж/м3; давление на колошнике до 0,4 МПа.
Доменный газ, после очистки от пыли применяется 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 для выработки электрической энергии.
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.
Возможно и использование физического тепла доменного шлака (физическое тепло чугуна практически полностью используется в сталеплавильном производстве). Так, разработаны установки по грануляции доменного шлака (используемого в дальнейшем в качестве строительного материала) в которых шлак с температурой 1200–1600 °С продувают воздухом, который подогревается до 600 °С. Тепло горячего воздуха используют для выработки пара, а тепло остывающих гранул шлака используют для нагрева воды и выработки пара в котле- утилизаторе. Также использование тепла шлака возможно непосредственно у доменной печи во время его выпуска. Для этого используются специальные плиты-холодильники, которые располагаются над шлаковой леткой и нагреваются от выпускаемого шлака. Внутри этих плит проложен змеевик, через который проходит воздух или газ для вдувания в доменную печь.
Вторым по значению источником оксида углерода на предприятиях черной металлургии является конвертерный газ. Его усредненный химический 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 конвертерного газа составляет 8,4–9,2 МДж/м3 при его температуре на выходе из конвертера 1400–1600 °С. Конвертерный газ может использоваться как горючий ВЭР непосредственно в установленных над конвертером котлах специальной конструкции для получения пара или для подогрева металлолома. Улавливание газа после охлаждения и очистки позволяет использовать его как топливо в энергетических агрегатах или в качестве восстановителя в технологических процессах
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 каменно-угольной смолы, 80 кг подсмольной воды, 11 кг сырого бензола и 3 кг 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).
Коксохимическое производство также характеризуется большим выходом ВЭР. Это, прежде всего, энергетический потенциал коксового газа, выполняющего функции как теплового, так и горючего ВЭР, а также физическое тепло кокса как теплового ВЭР.
Коксовый газ покидает коксовую батарею с температурой 700–800 °С, а его теплосодержание при этом составляет около 1000 МДж/т. 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. В основном используется теплота первой и третьей стадий. Для утилизации теплоты первой стадии стояки оборудуют специальными теплообменниками, через которые в замкнутом контуре циркулирует теплоноситель. Его теплота может направляться для получения пара, горячей воды или нагрева органических теплоносителей. Теплота третьей стадии охлаждения применяется для подогрева улавливающих растворов цеха сероочистки коксового газа.
Физическая теплота кокса, выгружаемого из камеры, составляет до 50% от теплоты, расходуемой на коксование. Ее утилизируют при сухом тушении кокса, т.е. охлаждении последнего в камере с циркулирующим инертным газом (азотом). Нагревшись до 750–800°С, газ поступает в теплообменник вторичного теплоносителя, в качестве которого могут применяться паровой котел, воздухо- или газоподогреватель, подогреватель угольной шихты или сочетание различных теплоиспользующих аппаратов и силовых установок.
Основной потребитель коксового газа как горючего ВЭР – металлургическое производство. В первую очередь он используется для нагревания мартеновских печей и агрегатов термообработки металла. При достаточном количестве его применяют также в нагревателях коксовых батарей.
Еще одним крупным источником горючих ВЭР является газ закрытых ферросплавных печей. Его выход составляет 400–800м3/т сплава при концентрации СО в нем порядка 70–90%. Послемокрого пылеулавливания на некоторых отечественных заводахон утилизируется как топливо, но в большинстве случаев сжигается на свечах.
В агломерационном производстве в качестве ВЭР могут использоваться тепло воздуха, охлаждающего агломерат, и тепло агломерационных газов, которые применяются для выработки пара и электроэнергии. Источниками ВЭР в прокатном производстве являются нагревательные печи и готовая продукция. Из металлургических печей выносится 30–50% тепла, охлаждающими элементами воспринимается 8–20% и до 5% рассеивается в окружающую среду. Использование тепла отходящих газов нагревательных печей возможно в котлах-утилизаторах.