автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация энерго-технологической системы переработки и использования твердых отходов металлургического производства

на правах рукописи

ЯРУ! !ИН СЕРГПЙ 11ИКОЛЛЕВИЧ

()111 имичм 1ия' )111■: 1»I ()-11 :х! к >л( >1111 и х ю ш с I к темы

I 1ЕРЕРА1>ОТКИ И ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

С'мсим;ип.1111с 11. 05.1 4.04 - I (ромышлсмшия юмло >пор| С1 ики

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1996 г.

Работ выполнена на кафедре "I [роммишснныс 'юпло'шсргсгичсскис сипемы" Московского энергетического института.

11аумный руководитель : кандидат технических наук, доцент

Ьорисон 1>орис Георгиевич

Официальные оппоненты : члеи-корресноиденг ЛИ РФ

доктор технических наук, профессор Понырин Лев Сергеевич

кандидат технических паук, профессор Морозов Игорь Петрович

Ведущая организация : АО "Северсталь", г.Череповец.

Защита состоиться " /у^ " МХ19~ 1996 года в аудитории У-ЩО в (5 час. О О мин, на заседании Диссертационного Совета К.053.16.03 Московского энергетического института (Технического университета).

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу : 111250, Москва, Е-250, Красноказарменная улица, д. 14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан САПрвЛ.р\ 1996 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ

ДИССЕРТАЦИОННОГО СОВЕТА , ,

к.т.н., доцент (-"Т/1 ^ Даиилов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Задачи рационального использования энергетических и сырьевых ресурсов, а также сохранения природы приобретай^ все большее значение из-за прогрессирующего, в результате увеличивающегося промышленного потребления, сокращения сырьевых и топливно-энергетических запасов планеты и возрастающего загрязнения окружающей среды промышленными отходами.

Эти прцблемы особенно остро стоят перед предприятиями черной металлургии, которые являются крупнейшими потребителями энергоресурсов, минерального сырья воды, воздуха и, одновременно, крупными источниками нарушения экологического равновесия в природе.

В металлургических процессах теряется и рассеивается в окружающей среде более половины потребляемых ими энергоресурсов, а в технологических процессах металлургических производств полезно используется менее четверти потребляемого сырья, а остальное возвращается в окружающую среду в виде отходов загрязняющих воду, воздух и почву.

В настоящее время разработано и внедрено значительное количество мероприятий по полезному использованию сырьевых и энергетических потенциалов жидких и газообразных отходов металлургических производств и защите окружающей среды от их вредного воздействия. В тоже время, мероприятиям по рациональному использованию твердых отходов металлургии и защите от их вредного воздействия окружающей среды уделяется недостаточное внимание.

Вместе с тем, на металлургических комбинатах России образуется огромное количество твердых отходов в виде шлаков, шламов, окалины и пыли, которые требуют значительных материальных и денежных затрат на организацию их складирования и хранения и представляют значительную экологическую опасность для окружающей среды.

Многие из перечисленных отходов, главным образом шлаки, масса которых составляет более половины всех твердых отходов, могут использоваться в качеств сырья технологических процессов металлургии и других отраслей промышленности, а их, зачастую значительный, энергетический потенциал участвовать в энергообеспечении предприятий.

В связи с этим, в настоящее время остро встала потребность в разработке и внедрении новых высокоэффективных способов переработки и использования шлаков позволяющих получать качественную пользующуюся спросом продукцию с использованием их энергетического потенциала.

Целью работы является разработка методики, позволяющей осуществить сопоставление, оценку и отбор наиболее эффективных

способов переработки и, на их основе, синтезировать комплексную энерго-технологическую систему (ЭТС) переработки и использования металлургических шлаков оптимальную для конкретных условий любого металлургического комбината (МК).

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи :

- проведен анализ различных способов переработки шлаков и отобраны наиболее перспективные из них ;

- разработаны математические модели отобранных технологических систем реализующих наиболее перспективные способы утилизации металлургических шлаков;

- для ряда металлургических агрегатов, выдающих шлаки в процессе своего функционирования (сталеплавильный конвертор, доменная и мартеновская печь), проведена адаптация приведенных в литературе математических моделей, к условиям проведения оптимизационных расчетов;

- произведен синтез разработанных и адаптированных локальных математических моделей в общую математическую модель комплексной энерго-технологической системы металлургического комбината с полным технологическим циклом производства;

создан программный продукт позволяющий проводить исследование и оптимизацию структуры и режимов работы комплексной энерго-технологической системы переработки и использования шлаков в увязке с энергобалансом металлургического комбината.

Методы исследования. В процессе решения поставленной задачи, ввиду многообразия способов шлакопереработки и сложности ЭТС МК, использовались методы системного анализа и математического моделирования. Исследования проводились на персональной 'ЛШ при помощи созданного программного продукта.

Научная новизна работы заключается в том, что для решения проблемы утилизации шлаков металлургических производств была использована методология системного анализа. Впервые все перспективные способы переработки и использования твердых отходов объединены в единую энерго-технологическую систему и анализируются в комплексе с жерго-жологическим балансом МК. В речульчатс такого подхода была создана универсальная методика сопоставления и оценки различных направлений переработки и использования шлаков предприя тии черной металлургии.

Практическая ценность работы заключается п том, что разработанная методика реализована и виде расчсчиого программного модуля, который включен в состав программно-информационной системы ЕЫЕЯМК. Система Е№1ШК, предназначенная для расчета и

оптимизации энергетического и экологического балансов МК, имея в своем составе созданный расчетный модуль, позволяет:

- осуществить комплексный энергетический , экологический и экономический анализ новых перспективных технологических решений по использованию шлаков с утилизацией их ВЭР;

- разработать оптимальную, с точки зрения энергетики и экологии энерго-технологическую систему переработки и использования шлаков металлургического производства.

Использование разработанной методики расчета и созданного па ее основе программного продукта, позволило пропса и комплексный чнерго-экологический анализ следующих перспективных направлений переработки и использования шлаков :

- выработка из высокотемпературных жидких шлаков щебеня и гранулированного шлака с утилизацией содержащегося н них тепла;

- производство из огненно-жидких шлаков цементного клинкера;

- добавление сталеплавильных шлаков в аглодоменную шихту.

Использование результатом >нср| о-жологичеекш о икалиш и

предлагаемого программного продукта позволяет получать надежные рекомендации по созданию оптимальной энерго-технологической системы переработки шлаков для конкретных условии функционирования любого металлургического комбината.

.''^УЛижиЮ0'Ш'М'ШЖРА'Г'^-1!: ' 1редскжленпня рабою выполнялась в отраслевой лаборатории кафедры II ГС М')И "Теплоэнергетическое хозяйство металлургических заводов". Использование разработанной методики и программного продукта, адаптированного к условиям работы АО "Северсталь", позволило выработать предложения по повышению эффективности работы системы шлакопереработки Череповецкого МК. В соответствии с договором между МЭИ и АО "Северсталь" № 2365930 рекомендации и программный продукт переданы заказчику для использования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 2-й международной конференции "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики"(Москва, 1995 г.) и на 3-м международном конгрессе доменьщиков "Современный опыт и перспективы доменного производства" (Новокузнецк, 1995 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в пяти печатных работах.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Изложена на 165 страницах основного текста; содержит 25 рисунков и 14 таблиц. Список литературы включает 53 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, сформулирована цель работы и основные положения выносимые на защиту, приводятся некоторые дополнительные сведения по работе.

В первой главе диссертации анализируется состав и количество твердых отходов образующихся в процессе металлургического производства и дается сравнительный обзорный анализ отечественных и зарубежных технологий по переработке и использованию шлаков. На основе проведенного анализа, отобран ряд наиболее перспективных направлений, которые позволяют максимально полно утилизировать металлургические шлаки, получая качественную пользующуюся спросом продукцию с эффективным использованием их энергетического и сырьевого потенциала.

Проведенный анализ современного состояния переработки и использования металлургических шлаков показал, что основным способом переработки доменных шлаков является их водная грануляция, сопровождающаяся потерей теплового потенциала жидких шлаков и интенсивными выбросами в атмосферу диоксида серы и сбросов загрязненной воды, а большая часть сталеплавильных шлаков текущего выхода, из-за специфики их химического состава, не используется и вывозится в отвалы.

В настоящее время из-за низких потребительских свойств производимой из доменных шлакон продукции, относительно высокой ее себестоимости и резкого повышения транспортных тарифов на ее доставку к потребителям, спрос на эту продукцию снизился. В результате на металлургических комбинатах России пмепо отпало» доменного шлака увеличиваются отвалы гранулированного шлака и щебня, которые также загрязняют окружающую среду и представляют значительную экологическую опасность.

В связи с этим, необходим отбор и внедрение эффективных технологий переработки шлаков позволяющих более полно использован, их сырьевой и тепловой потенциал и получать дешевую конечную продукцию с высоким потребительским спросом.

Проведенный сравнительный анализ большого количества различных способов шлакопереработки позволил отобрать для дальнейшего исследования три наиболее перспективных направления :

- переработка шлаков на щебень и граншлак с утилизацией тепла;

- получение из огненно-жидких доменных и сталеплавильных шлаков плавленого цементного клинкера ;

использование сталеплавильных шлаков в аглодоменном производстве.

Внедрение вышеперечисленных технологий обеспечит значительное расширение сферы потребления продуктов переработки металлургического шлака. Вместе с тем, ввиду многообразия способов переработки шлаков и сложности их взаимосвязей с другими производствами и системами МК, осуществить объективное технико-жономическое српши-иие алтериптиипых панрншичиш шпакопсреработкп можно лишь рассматривая их н комплексе с жерго-криологической системой всего металлургического производства.

Проведенный анализ показал, что до настоящего времени надежные и достоверные методики такого сравнения отсутствуют и их создание необходимо проводить на основе использования методов системного анализа и математического моделирования.

Вторая глава посвящена созданию

- математических моделей энсрго-техпологичсских установок перерабатывающих металлургические шлаки н гранулированный шлак и литой доменный щебень с одновременным использованием их тепла для получения водяного пара, горячего воздуха и электроэнергии ;

математических моделей >нер| о- 1ехмоло| ических сиск-м производства плавленого цементного клинкера из жидких металлургических шлаков;

- математических моделей процессов образования шлаков в металлургических агрегатах

- математической модели технологического процесса использования сталеплавильных шлаков в аглодоменном производстве.

Из всего разнообразия предложенных в России и за рубежом шлакоперерабатывающих установок, позволяющих перерабатывать шлаки с одновременным получением водяного пара с параметрами достаточными для его использования в теплосиловых установках, вырабатывающих электроэнергию, в основу математической модели положены :

- установка фирмы "Ниппон кокан", которая позволяет получать пар с давление 1,5 МПа;

установка предложенная НПО "Техэнергохимпром" вырабатывающая пар с давлением 3,5- 4,0 МПа;

- установки сухой грануляции шлаков японских фирм "Мицубиси дзюкоге" и "Сумитомо кондзоку коге" также позволяющие вырабатывать пар с давлением 3,5- 4,0 МПа.

В связи с этим, разработанная и используемая в настоящей работе математическая модель утилизационной энерго-технологической установки предусматривает выработку пара двух параметров: 1,3-1,7 МПа

и .1,2-4,0 Mihi. Член, пара низких иарлмсфои nociyiiaei н сисюму технологического теплоснабжения металлургического комбината, а часть и конденсационные турбины утилизациошюй leiuioMieKiponenipaJiii (У'Г')Ц). Пар более высоких параметров подается на теплофикационные турбины УТЭЦ, имеющие промышленные и теплофикационные отборы. В модели учитывается то обстоятельство, что при использование пара для покрытия технологических нагрузок происходит вытеснение отборного пара промышленных ТЭЦ, что сказывается на экономичности их работы.

Разработан алгоритм расчета, который, в зависимости от температуры жидкого шлака поступающего на переработку, от технических характеристик используемого теплоутилизационного оборудования, а также от цен на энергоносители и на продукцию шлакопереработки, позволяет рассчитать годовую экономическую эффективность любой энерго-технологической установки по переработке металлургического шлака с утилизацией его теплоты.

Для математического моделирования установок по производству плавленого цементного клинкера выбраны две наиболее характерных системы предложенные А.Д. Ключниковым в 1974 и в 1991 годах :

- система, в которой процесс донасыщения шлака известью осуществляется в плавильной камере при подаче туда восстановительного газа и кислорода. Тепло выходящих из плавильной камеры дымовых газов и клинкера затрачивается на получение в камере грануляции восстановительного газа, который после осушки и компремирования используется как внутри процесса плавления клинкера, так и для нужд других производств металлургического комбината. Тепло гранулированного клинкера покидающего реактор грануляции с температурой около 1050вС идет на подогрев поступающего в плавильную камеру кислорода и на выработку пара с давлением 3,5-4,0 МПа в котле-утилизаторе;

- система, в которой процесс донасыщения шлака известью осуществляется также в плавильной камере при подаче туда природного газа и обогащенного кислородом воздуха. Тепло выходящих из плавильной камеры дымовых газов расходуется на декарбонизацию известняка, а теплосодержание расплавленного клинкера используется на подогрев компонентов горения, сушку известняка и на производство в воздушном котле-утилизаторе пара с давлением 3,5-4,0 МПа и температурой 300-350"С.

Разработанная и используемая в настоящей работе математическая модель позволяет исследовать процесс переработки жидкого металлургического шлака на клинкер в увязке с энергобалансом всего МК. Модель предназначается для оптимизационных расчетов. Поэтому ее алгоритм, с целью сокращения количества исходных данных и времени

счета, основан на удельных энерго-технологических показателях процесса (удельный расход топлива, удельный расход кислорода, удельная выработка пара и т.п.), которые предварительно определены из расчета теплового баланса каждой из вышеназванных систем.

Разработанный алгоритм позволяет в зависимости от типа выбранной теплотехнологической схемы, объема жидкого шлака поступающего на переработку и коэффициента регенеративного использования тепла расплава определить основные энерготехнологические параметры процесса.

Так как подача в доменные печи восстановительного газа полученного при производстве клинкера влияет на характер изменения основных технологических параметров доменного процесса Р,(Х) (производительность печи, удельный расход кокса, выход и температура колошникового газа, температура фурменной зоны), то оно учитывалось с помощью полиномиальных зависимостей.

Следует отметить, что в литературе описан ряд статических математических моделей доменных и сталеплавильных процессов основанных на использовании балансовых уравнений, используя которые можно с достаточной степенью точности определить технологические параметры доменного и сталеплавильного процессов, в том числе и количество образующегося шлака.

Однако их применение требует использования большого количества исходных данных и значительной затраты машинного времени на решение системы конечных уравнений. При проведении оптимизационных расчетов эти обстоятельства существенно осложняют использование статических математических моделей.

В настоящей работе для проведения оптимизационных расчетов были созданы статистические модели доменного и сталеплавильного процессов, которые представляют из себя многофакторные регрессии, полученные с помощью методов планирования эксперимента. Однако эксперимент проводился не на реальных физических объектах, а на их математических моделях состоящих из системы балансовых уравнений. Так как балансовые модели достаточно точно отражают процессы выплавки чугуна и стали, то использовалась' возможность заменить дорогостоящий физический эксперимент более дешевым модельным экспериментом.

Па основе проведенных модельных экспериментов, используя методы математической екпиешки, были получены аашсшческие математические модели в виде полиномиальных зависимостей описывающих основные показатели доменного, конверторного и мартеновского процессов.

Для доменного процесса статистическая модель состоит из шести уравнений многофакторной нелинейной регрессии, имеющих вид уравнения (1) и связывающих величины технологических параметров процесса Fj(X) (производительность печи, удельный расход кокса, выход и температура колошникового газа, температура фурменной зоны) с изменением пяти основных влияющих факторов - Xj (расход сырого известняка, природного газа и восстановительного газа, выход шлака, содержание кислорода в дутье и кремния в чугуне.

F,(X) = А„ + А2, • ЛГ, + /)„ • Л"2 + А„ • Х} + А„ • .V,2 + Аб1. Л'4 + а7, . X] + л, • -V, + Л, • х, . X, + An, >Xt>X, + Alb»Xt, (1) где i - номер технологического параметра доменного процесса; Х| -расход сырого известняка, кг/т чугуна ; Х2 - выход доменного шлака, кг/т чугуна ; Хз - содержание кремния в чугуне, кг/т чугуна ; Х4 - содержание кислорода в дутье, % ; Х3 - расход природного газа в горн, м7т ; X,, -расход восстановительного газа в шахту, м3/т чугуна; Ai,-Ani -коэффициенты регрессии.

Для конверторного процесса статистическая модель состоит из четырех полиномов аналогичного вида, связывающих технологические параметры (выход стали и шлака, доля лома в шихте, расход извести) с изменением 1У-ти основных влияющих факшров (содержание кремния и фосфора в чугуне, содержание углерода в стали, содержание CaO, MgO и SiOj 11 извести, температура чуi-yiia и стали, температура нагрева лома, степень дожигания СО и т.д.).

Для мартеновского процесса в состав статистической модели входят девять полиномов аналогичного вида.

При создании полиномиальных статистических моделей доменного процесса и качестве "черного ящика" иежип. инмлаеь кч1ло >пергепгнх-кам модель доменного процесса предложенная Ьородулиным A.B., Семикиным И.Д. и Циганковым Г Л'. Для конверторного процесса - модель описанная Ьшеепмм A.M. и Яковлевым IO.II. Для мартеновского процесса - модель созданная в Институте черной металлургии АН Украины.

Проверка адекватности, значимости и информационной способности полученных полиномов проведенная с помощью методов регессионного и дисперсионного анализ проверкой по t-критерию Стьюдента, F-критерию Фишера и коэффициенту детерминации показала, что полученные статистические полиномиальные зависимости адекватны, значимы и информационно способны, значимы также и все коэффициенты регрессионных уравнений.

Полученные таким образом статистические полиномиальные модели сталеплавильных процессов являются универсальными и с незначительными корректировками свободного члена уравнений

регрессии могут быть использованы для расчета энерго-гехнологических показателей любого сталеплавильного агрегата.

Для оценки экономической эффективности использования сталеплавильных шлаков в аглодоменном производстве был создан расчетный модуль, описывающий процессы переработки и использования (рециклинга) конвертерного и мартеновского шлаков на комбинате, который отражает функциональные связи между основными металлургическими производствами (коксохимическим, агломерационным, доменным и сталеплавильным) и предназначается для работы в рамках единой балансовой модели всего металлургического комбината.

Влияние использования конвертерного шлака в аглодоменной шихте на основные параметры доменного процесса учтено посредством полученных ранее полиномиальных зависимостей доменной плавки (1).

В' третьей главе диссертации все разработанные дискретно математические модели объединены в единую энерго-технологическую систему переработки и использования шлаков, для которой, с целью проведения комплексной оптимизации, paipaGoianii от имитационная модель. В основу созданной оптимизационной модели положена новая комплексная методика сопоставления и оценки »ффектииности различных направлений переработки и использования шлаков.

На первом этапе создания оптимизационной модели разработана максимально полная схема всей энерго-технологической системы, учитывающая все возможные методы переработки шлаков с утилизацией их теплового и сырьевого потенциала (рис. I). Чшем были иыбршп.1 15 оптимизируемых параметров, которые определяют' структуру энерготехнологической системы переработки и использования шлаков и непрерывно изменяются от 0 до 1. Достижение в процессе оптимизации некоторыми непрерывно изменяющимися параметрами своих граничных (нулевых) значений означает частичное вырождение максимально полной схемы в промежуточную, а затем в оптимальную схему.

В качестве целевой функции для проведения оптимизационных расчетов выбран суммарный интегральный энерго-экологический критерий Z - чистый дисконтированный доход, позволяющий учесть эффективность капиталовложений в разрабатываемую энерготехнологическую систему :

7

Z = -Н, - К, + L )»В,-► шах , (2)

i

где t - рассматриваемый год расчетного периода эксплуатации системы; ASt - балансовая прибыль МК от функционирования рассматриваемого варианта энерго-технологической системы переработки и использования шлаков в году t, учитывающая изменение годовой

Рис. 1. Оптимизационная схема энерго-технологической переработки и использования металлургических шлаков. ЖСШ сталеплавильный шлак; ЖДШ - жидкий доменный шлак.

системы - жидкий

стоимости приобретенных на стороне топливных и сырьевых ресурсов, изменение годовой платы за выбросы газообразных и твердых отходов, а также прибыль от реализации продукции шлакопереработки, млрд.руб/год; Н, - налог на прибыль в году I, млрд.руб/год ; К, -капитальные вложения в систему в году !, млрд.руб/год ; Ь - остаточная (ликвидная) стоимость объекта к моменту окончания расчетного периода эксплуатации, млрд.руб ; Т - продолжительность (последний порядковый номер) расчетного периода функционирования системы ; В, - коэффициент дисконтирования, т.е. коэффициент с помощью которого осуществляется соизмерение во времени результатов и затрат разных лет.

В четвертой главе, используя разработанную методику расчета и оптимизационную математическую модель .осуществлен системный технико-экономический анализ перспективных технологий по переработке шлаков и комплексная оптимизация всей энерго-технологической системы. Анализ результатов комплексной оптимизации позволяет на основе наиболее перспективных и конкурентноспособных технологий создать оптимальную, для каждого конкретного МК, комплексную энерготехнологическую систему переработки и использования металлургических шлаков.

Результаты расчетного исследования эффективности работы установок по переработке доменных шлаков с утилизацией их тепла (одинаковой производительности - 460 т/год) в увязке с топливно-энергетическим балансом всего МК показали, что при выработке за счет тепла шлаков пара давлением 1,2-1,7 МПа и направлении его в систему пароснабжения комбината экономия топлива составляет 1,46 кг.у.т/т чугуна, а при использовании этого пара для выработки электроэнергии по конденсационному циклу снижается до 1,23 кг.у.т/т чугуна. При повышении давления вырабатываемого пара до 3,5-4,0 МПа и направлении его в теплофикационную турбину экономия топлива достигает 1,84 кг.у.т/т чугуна, а при использовании конденсационных турбин только 1,46 кг.у.т/т чугуна.

Вместе с тем, показано, что экономическая целесообразность выбора того или иного варианта схемы установки по переработке шлака с утилизацией тепла во многом зависит от соотношения цен на топливо и на производимую из этого топлива электроэнергию. При минимальной стоимости электроэнергии наиболее эффективным и надежным способом шлакопереработки остается гидрожелобная грануляция шлака в припечных установках.

С увеличением цены на электроэнергию резко возрастает экономическая эффективность тех вариантов установок по утилизации тепла шлаков, в которых полученный пар идет на выработку

электроэнергии в турбогенераторах. Однако предпочтительнее гидрожелобной грануляции будут только те теплоутилизационные системы, в которых не менее 60% тепла шлака полезно используется на получение пара с последующей выработкой электроэнергии по конденсационному циклу.

Исследование эффективности различных теплотехнологических систем по производству плавленого цементного клинкера из шлаков показало, что наиболее эффективной является система предусматривающая получение за счет тепловых отходов процесса восстановительного газа для доменных печей. Создание подобной теплотехнологической системы экономически целесообразно даже при удельных капитальных затратах в 2 раза превышающих капитальные затраты в традиционные вращающиеся печи производящие клинкер из гранулированного шлака.

В заключительной части четвертой главы представлен анализ результатов оптимизационных расчетов проведенных с целью синтезирования оптимальной ЭТС переработки и использования металлургических шлаков для АО "Северсталь".

При определении целевой функции принимались следующие технологические и экономические ограничения: содержание фосфора в чугуне не более 0,1 %; объем подачи восстановительного газа в шахту доменной печи не должен превышать 500 мЗ/т чугуна ; доля сталеплавильного шлака в общем количестве металлургических шлаков идущих на производство клинкера составляет 10 % ; потребность строительных организаций в дорожном щебне из сталеплавильных шлаков - не более I 75000 м Угод.

Проведение оптимизационных расчетов для АО "Северсталь" осложнялось тем обстоятельством, что многие исходные данные, существенно влияющие на результаты оптимизации, являклся неопределенными или неоднозначными, так как могут изменять свое значение в процессе проектирования, строительства и эксплуатации ЭТС. Использование в условиях неопределенности исходной информации различных нариаптоп исходных данных приводит к тому, что результаты оптимизационного расчета не являются детерминированными (т.е. строго однозначными) и могут приводить к различию рекомендуемых видов и структур оптимальных ЭТС переработки и использования шлаков.

Поэтому на первом этапе проведения оптимизационных расчетов сформировано представительное множество условий создания и функционирования данной системы включающее все возможные варианты сочетания исходных данных. На втором этапе выявлены оптимальные решения для каждого из рассматриваемых вариантов. Анализ полученных решений позволил выявить зону неопределенности оптимальных решений

Вариант энерго-технологической системы

а)

б)

Рис.2. Структура исходной (И) и трех вариантов оптимальной (А,Б,В) энерго-технологической системы переработки и использования доменных (а) и сталеплавильных (б) шлаков, в соответствии с которой шлаки направляются : 1. На производство граншлака без утилизации тепла; 2. На производство щебня без утилизации тепла; 3. На производство пемзы; 4. На производство клинкера; 5. На производство граншлака или щебня с утилизацией тепла; 6. В аглодоменное производство; 7. В отвал.

и, в частном случае, получить единственное оптимальное решение задачи (вариант А на рис. 2.)

В соответствии с этим решением доменные шлаки в первую очередь необходимо направлять на производство плавленого цементного клинкера по схеме предусматривающей одновременное получение за счет тепловых отходов процесса плавления клинкера водяного пара направляемого в конденсационные турбины и горячего восстановительного газа направляемого в шахту доменных печей

Использование металлургических шлаков в данном направлении ограничивается потребностью доменных печей в восстановительном газе. В случае, когда нет возможности использовать весь полученный газ в доменной печи, эффективность установки по производству клинкера резко снижается. В связи с этим, на производство цементного клинкера может быть направлено не более 86,4% доменных шлаков.

Оставшиеся 13,6 % доменных шлаков целесообразно использовать в производстве литого щебня или граншлака с утилизацией тепла.

13,2 % сталеплавильных шлаков текущего выхода, предполагается использовать в процессе получения плавленого клинкера.

Использование сталеплавильных шлаков в аглодоменном производстве ограничено содержанием в них вредных примесей (сера, фосфор и др.) и не должно превышать 34,3 % , причем для повышения эффективности данного процесса сталеплавильные шлаки должны проходить специальную подготовку (сухая грануляция с утилизацией тепла) и направляться непосредственно в доменные печи.

Еще 20 % сталеплавильных шлаков, с учетом принятых ограничений, можно переработать на щебень для дорожного строительства. Щебень необходимо вырабатывать в теплоутилизационных установках, предусматривающих выработку за счет тепла шлака водяного пара энергетических параметров (3,5-4,0 МПа).

Анализ полученного оптимального решения показывает, что, с целью повышения эффективности всего шлакоперерабатывающего комплекса, водяной пар, получаемый за счет использования тепла шлака и клинкера, необходимо производить с параметрами достаточными для выработки электроэнергии по конденсационному циклу в турбогенераторе с паровым приводом.

В оптимизируемой энерго-тсхиологической системе АО "Северсталь" 32,5 % стплсмлпнилмшх ишакоп, с учетом принятых ограничений и технологических условий, не может быть эффективно переработано ни по одной из рассмотренных технологий и будет вывозится.в отвал.

Вариант А оптимальной ЭТС переработки и использования шлаков получен при условии неограниченной потребности рынка в цементном

клинкере. Однако реально могут существовать условия ограничивающие эту потребность.

В связи с этим, для сравнительного анализа на рис. 2 представлены результаты еще двух вариантов оптимизационных расчетов проведенных по аналогичной с вариантом А методике: В варианте Б рыночный спрос на клинкер ограничен и составляет 1,5 млн.т/год; в варианте В потребность в клинкере для данного региона отсутствует.

Представленный на рис. 3 сравнительный анализ величины чистого дисконтированного дохода полученного при 12-летней эксплуатации варианта (И) исходной и трех вариантов (А, Б, В) оптимальной ЭТС переработки и использования металлургических шлаков показывает, что наиболее эффективной является ЭТС, создаваемая при условии неограниченной потребности в цементном клинкере (вариант А).

Вместе с тем, результаты проведенных оптимизационных расчетов, однозначно указывая на то, что по мере увеличения объемов производства клинкера общая экономическая эффективность ЭТС переработки и использования шлаков существенно возрастает, подтверждают целесообразность комбинирования металлургического и цеметпого производств. Включение в состав металлургического комбината с полным технологическим циклом производства цементных цехов позволит улучшить экологическую ситуацию па предприятии и снизить себестоимость конечной продукции (сталь и цемент).

\о

* 350

а

<4 300

^ 200

п

п 150

х

О 100

<4

Вариант системы

Рис. 3. Величина чистого дисконтированного дохода исходной (И) и трех вариантов оптимальной (А,Б,В) энерго-технологической системы переработки и использования шлаков

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. На основе анализа и сопоставления разнообразных отечественных и зарубежных технологий по утилизации твердых отходов металлургических производств выявлены наиболее перспективные энергосберегающие мероприятия переработки н использования металлургических шлаков.

2. Разработана методика оценки эффективности различных технологий переработки шлаков металлургических производств, в соответствии с которой они рассматриваются в системной взаимозависимости с энерго-технологической системой всего металлургического комбината и с использованием для их сопоставления комплексного энерго-экологического критерия.

3. Предложена структура комплексного энерго-экологического критерия, позволяющего оценивать эффективность энергосбережения с учетом влияния экологических факторов.

4. Разработаны и адаптированы для проведения оптимизационных расчетов математические модели :

энерго-технологических установок по переработке металлургических шлаков в гранулированный шлак или в литой доменный щебень, с одновременным использованием содержащегося в шлаке тепла для выработки водяного пара, горячего воздуха или электроэнергии ;

- процессов образования шлаков в сталеплавильных агрегатах ;

- технологического процесса использования сталеплавильных шлаков в аглодоменном производстве ;

энерго-технологических систем производства плавленного цементного клинкера из жидких металлургических шлаков ;

5. Разработана комплексная оптимизационная математическая модель энерго-технологической системы переработки и использования шлаков металлургических производств, объединяющая в своем составе перечисленные выше математические модели локальных энерготехнологических объектов и процессов с математической моделью энерготехнологической системы металлургического комбината и позволяющая синтезировать, анализировать и оптимизировать систему переработки шлаков для конкретных условий функционирования любого металлургического комбината.

6. С использованием комплексной оптимизационной модели проведены расчетные исследования показавшие :

а) Внедрение энерго-технологических комплексов по переработке металлургических шлаков на щебень и граншлак с утилизацией тепла экономически целесообразно только при направлении утилизированного

тепла на производство пара давлением не ниже 1,5 МПа с последующей выработкой электроэнергии по конденсационному циклу и полезным использованием в установке не менее 60 % тепла шлаков. Для металлургического комбината с полным циклом производства производительностью 7,0 млн. т. стали в год переработка всех доменных шлаков (305 кг/т чугуна) по данной схеме позволит получить экономический эффект в размере 56,7 млрд.руб/год или 32 тыс.руб/т шлака.

б) Внедрение энерго-технологических комплексов по производству плавленого цементного клинкера из огненно-жидких шлаков с одновременным получением восстановительного газа используемого в доменных печах является наиболее эффективным из рассматриваемых способов шлакопереработки. Переработка металлургических шлаков по данной схеме на металлургическом комбинате с полным циклом производства производительностью 7,0 млн.т стали в год позволит получить экономический эффект в размере 290,2 млрд.руб/год или 171 тысяч рублей на тонну перерабатываемого шлака, с одновременным сокращением потребления кокса на 658,2 тыс.т/год.

в) Добавление сталеплавильного шлака в агломерационную и доменную шихту к количестве до 76 кг/т чугуна для металлургического комбината с полным циклом производства производительностью 7,0 млн.т стали в год позволит получить экономический эффект в размере 50,8 млрд.руб/год или 115 тыс.руб/т шлака, с одновременным сокращением количества шлаков направляемых в отвал на 14,7 % .

7. Для конкретных условий работы АО "Северсталь" (Череповецкий МК), используя разработанную методику и созданную на ее основе ошимитационную мптсмшичеекую модель, спшсзиронлна оптимальном энерго-технологическая система переработки и использования металлургических шлаков.

Проведенные исследования показали, что балансовая прибыль полученная при эксплуатации на АО "Северсталь" новой оптимальной энерго-технологической системы составит около 367,7 млрд.руб/год (по ценам четвертого квартала 1995 года), что превышает прибыль полученную от шлакоперерабатывающего комплекса МК организованного по старой традиционной схеме в 13,8 раз.

Сооружение подобной оптимальной TIC для металлургического комбината с полным циклом производства производительностью 7,0 млн.т стали в год потребует капиталовложений в размере 694,7 млрд.руб. Однако расчеты показали эффективность них инвестиций, так как дисконтированный срок возврата вложенного капитала составит около четырех лет.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ I ПЛОЖЕНО И С Л ЕДУ Ю ЩИ X 11У Б Л И КА ЦИ Я X

Е Ярунин С.П., Борисов Б.Г., Авцииов А.Ф., Бородулин A.B., Султангузин И.А. Анализ изменения энергетических и экологических балансов металлургических комбинатов, при использовании твердых отходов в доменном производстве. // Бюллютень "Черная металлургия", 1995-JV» 12-е.38-41 г.

2. Ярунин С.Н., Янковский A.C., Рехтин Н.Е., Бугаев С.Ф., Бородулин A.B., Анохин А.Б. Энерго-экологические аспекты использования в доменных печах отходов и нетрадиционных материалов // Международная научно-техническая конференция "Теория и технология аглодоменного производства": тезисы докладов.- Днепропетровск, 1995.

3. Ярунин С.Н., Борисов Б.Г., Бородулин A.B., Султангузин И.А., Буг аев С.Ф. Применение системного анализа для разработки оптимальной энерго-технологической системы переработки и использования твердых отходов металлургического производства. // Вторая международная конференция "Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики": тезисы докладов.- М., 1995.

4. Ярунин С.Н., Янковский A.C., Бугаев С:Ф., Бородулин A.B., Анохин А.Б. Комплексный анализ влияния использования твердых отходов в доменной печи на энергетический баланс металлургического комбината. // Третий международный конгресс доменыциков "Современный опыт и перспективы доменного производства": тезисы докладов.-11овокузнецк, 1995.

5. Ярунин С.Н., Авцииов А.Ф., Анохин А.Б., Бугаев С.Ф., Бородулин A.B.. Шевелев А.Г. Теория и практика использования в доменных печах отходов и нетрадиционных материалов. // Международная конференция по эколог изации промышленного и сельскохозяйственного производства Приднепровья и Причерноморья : тезисы докладов.- Днепропетровск,

1995.