автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Оптимизация энергопотребления энерго-технологической системы агломерационного производства на основе математического моделирования

МОСКОВСКИЙ ЗНОТЕТНЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (Технический уякверсктег)

1 на правах рукописи

ИМ®'ПЕТР АРКАДЬЕВИЧ

ОПТКШАЦЙЯ ЗШТОТОТРШЕШЯ ЗНЕРГ0- ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ АГЛЙ-ЕРАДЙОННОГО ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ - МАТЕМАТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.14.04. - Прошаганная теплоэнергетика.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 1903 г.

Работа выполнена на кафедре "Промышленные теплоэнергетичес кие системы" Московского энергетического института.

Научный руководитель: к.т.н., доцент Борисов В.Г.

Официальные оппоненты: д.т.и., профессор Сидельговский Я.Н.

к.т.н., с.н.с. Бородулин A.B.

Ведущая организация: ЦНИИЧМ, г. Москва

Защита состоится июня_ 1993 года в аудитории 410_______в /у2 час. о^? мин, на заседании Специализированного Совета К.053.16.03 Московского энергетического института.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные печатью, просим присылать по адресу: 105835 ГСП, Москва, Е-250, Красноказарменная ул., д.14, Совет МЭИ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института. Автореферат разослан " " ¿MiLf 1993 г.

УЧЕНЫЙ СЕКРЕТАРЬ СПЕЦИАЛИЗИРОВАННОГО СОВЕТА к.х.н., доцент

Э.Л. Филиппов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕШ Одной из самых энергоемких отраслей про-длалеикости является черная металлургия (ЧМ). Потребление первичной энергии в металлургии составляет до 112 от производимых и до-Зываешх энергоресурсов мира. Саш металлургическое производство :кладывагтся из ряда технологических переделов. Самым крупным потребителе« энергии на МК является агло-доменное производство (АДИ), на лол» которого приходится свыше 602 первичных эиергоре-зурсоз металлургического комбината (МК). Для производства одной тонны агломерата в нашей стране расходуется от 70 до 80 кг.у.т. ила сзше 10Х зяергоресурсов МК. Основными знергоресурсаад явля-отся кодовая мелочь, газовое топливо и электроэнергия.

Одновременно АЛ является модаым источником выбросов пыли, зкиси углерода, сэры « других вредных вэцеств. Доля вредных выбросов достигает от 60 до 65% о? суммарных выбросов МК. Например, количество выбросов окиси углерода в агомерацконном производстве (АП) на Череповец;«::,« Е5< составляет около 300 тыс.тонн в год.

В своо очередь, производство агломерата сзязаяо о бодыюй долей энергетически потерь. К шш относится теплота уходящих газов, химическая энергия СО аглогааов, теплота излучения от верхнего слоя агломерата, теплота горячего воздуха отходящего от охладителя агломерата.

Анализ работ, посвячешшх исследованиям знерго-технологически системы АП показывает, что до настоящего времени агломерационную фабрику (АФ) рессиатриваат как локальный объект, не имеющий связей с другими производствами по энергетической и технологической линии. Не рассматриваются вопросы выхода ВЗР и экологии в зависимости от изменения технологических режимов АП. При рассмотрении, способов утилизации ВЗР не применялся системный подход, пов-воляюодй учитывать энерго- технологические взаимосвязи с другими производствами. Не уделялось должного внимания разработке алгоритмов оптимального использования ВЭР в АЛ.

Представленная работа выполнялась в МЭИ по планам НИЧ ИКР МЭИ в отраслевой лаборатории "Теплоэнергетическое хозяйство металлургических комбинатов" кафедры ПТС, в период с 1.01.90г. по 31.12.93г., в соответствие с договорами между МЭИ и Днепровскж МК N 2185900 и N 2877920, между МЭИ и Череповецким МК N 2474910.

ЦЕЛЬ РАБОТЫ состоит в разработке энергетически и экологичес-

ки ■ эффективной энерго-технологическоа систеш АЛ.

Для достижения поставленной цели необходимо создание программного продукта на основе методов математического моделирования ОАО и проведение исследований работы существующих производств. Для чего необходимо решить следующие задачи:

-разработать алгоритмы расчетов агломерационной машины (АМ), охладителя агломерата (ОА), камеры дозшгания (КД), теплоутилизационной электрической станции (ТУЭС);

-провести адаптации Ш КУ к условиям работы АП; -рассмотреть энерго-технологическую взаимосвязь с доменкой печьв (ДО);

-разработать унифицированную схему знерго-технологической систеш АП;

-определить минимальный ущерб окружающей среде (ОС) и оптимальный вариант утилизации ВЭР;

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ. Для решения поставленной задачи использовались методы Ш, математические пакеты прикладных программ, электронные таблицы и стандартные библиотеки компилятора языка СИ. Экспериментальные исследования проводились на персональной ЗШ при помощи созданного программного продукта.

НАУЧНАЯ НОВИЗНА РАБОТЫ заключается в следующем: -на основе методов системного анализа разработана методика построения эиерго- технологической системы АП, в увязке с ДП и энергетической системой МК;

-методика расчета отражает энергетические и технологические взаимосвязи внутри АП, учитывает взаимосвязи с доменным производством, предоставляет возможность выбора нескольких способов утилизации ВЭР (утилизации ВЭР при помощи КУ и КД, нейтрализация аглогазов от СО и использование химической энергии окиси углерода) , позволяет производить экологических характеристик АП и рассматривать варианты эффективного использования паровой нагрузки (8а счет ВЭР) от КУ на ТУЭС и во всей анерго-технологической системе МК.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ состоит в следующем: -разработана унифицированная схема утилизации ВЭР в зиер

го-технологической системе АН и оптимизационная модель системы; • * -разработаны алгоритма и адаптированы к энерго-технологичес-кой системе существующих производств расчеты AM, ОА, КУ, КД, ТУЭС;

-создан программный продукт позволяющий проводить оперативные расчеты шихты, теплового и газового'балансов процесса агломерации, экологических характеристик, количество БЭР, паропроиаво-дитеяыюстг КУ, получить характеристики работы ТУЭС и проводить оптимизационные расчеты с целью определения эффективности использования ВЗР в АП.

Программный продукт имеет удобный интерфейс, что позволяет использовать его-непосредственно в отделах главного энергетика, в слу/йзх главного агломератчика и технического бюро ИХ;

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ. Результаты исследований использованы на и Чер«К в виде предпроектяьк предложений и рекомендаций о целью аффективного использования BSP в АП. В соответствие с договор келду МЭН и ДЖ N 2877920, проведена адаптация программного продукта к условиях работы А® N2 ДОК и он передан заказчику для использования.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на 3-й Всесоюзной научно-технической конференции "Интенсивнее энергосбережение а промышленной тепло-технологии", Москва 1991 г.; на Международной конференции "Состояние и перспективы развития электротехнологии", Иваново, 1993 г.; на Техническом совещание у главного агломератчика, ДИК, г. Днепродзержинск, 1993 г.

. ПУБЛИКАЦИИ. Результаты исследований опубликованы в трех печатных работах/

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ РАБОТЫ. Диссертационная работа изложена на Л/ страницах, ив них/^/"страниц основного текста, рисунков и состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы из наименований и приложений.

- б -

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во ВВЕДЕНИИ обосновала актуальность теш диссертации, сформулирована цель работы и основные положения, выносимые на эаииту, приводятся некоторые дополнительные сведения по работе.

ПЕРВАЯ ГЛАВА посвяцена анализу и описанию технологически)! особенностей при производстве агломерата, а также дана оценке ■современного состояния энергопотребления в АП на отечественных и зарубежных производствах.

При анализе технологических особенностей процессов спекания, рассмотрена зависимость изменения минералогического состава агломерата от расхода твердого топлива в шихте и покаазно как от требований доменного производства к качественным характеристикам агломерата изменяется расход твердого топлива на процесс спекания. В литературных источниках показано, что увеличение расхода твердого топлива в пихте более чем на 10Х приводит к образовании металлического железа в агломерате. Применение ыеталдизованного агломерата приводит к значительному снижению расхода кокса в ДО, но в то же время происходит резкое увеличение коксовой мелочи (КМ) в пихте и количества вредных выбросов (БВ) в ОС от АП. Для получения экологических характеристик АП произведен анализ источников загрязнения ОС и способов нейтрализации ВВ. Произведен химический анализ и количественная оценка вредных выбросов в ОС от АМ. Проанализированы существующие схемо-технические решения, позволяющие сократить в несколько раз количество ВВ в ОС.

Дана оценка энергопотребления по технологическим переделам внутри металлургического комбината и а АП. Показано, что на передовых варубежных аглопроизводствах для получения одной тонны агломерата, расходуется 1300-1400 ОД* в виде твердого и газообразного топлива, а яа отечественных аглофабриках среднестатистическое потребление первичной анергии составляет 2300-2500 ВДж.

Произведен анализ теплового баланса, источников ВЭР, способов утилизации теплоты в агломерационном производстве. К источникам ВЭР АМ отнесены уходящие газы от вакуум-камер машины с температурой от 100 до 350 С, теплота излучения от спекаемого слоя и теплота готового агломерата с температурой 500-700 С. К источникам ВЭР от охладителя агломерата ОА отнесены горячий воздух от первых дутьевых камер со средней температурой 400-500 С и горячий

юадух после первых дутьевых камер на участке от 10 до 202 длины »хладителя с температурой от 200 до 300 С. Рассмотрен и проведен шализ существующих схемотехнических решений по утилизации тепло-гы в АП и дана количественная оценка утилизируемой энергии на не- . ¡едовым отечественных и зарубежных АФ. ,

Ка основе методов системного анализа разработана унифициро-шлнзя схема утилизации теплоты рис Л, которая позволяет учесть шерго-технологические веаикосвяэи AM с доменной печью (ДП) и •епдоутвдивационньм оборудованием (ТУ).

В этой главе также сформулированы цель п задачи работы.

ВТОРАЯ ГЛАВА посвящена разработке математической модели (Ш) гнерго-технологической системы агломерационного производства.

На основе кетодкк Ф.И.Вазанова, И.Л.Малкина и Е.Ф.Вегмша >азработан алгоритм расчета энергетических и технологических ха-дактеркстга; агломерационной машны. Реотв систему, состоящую иэ сравнений ыатериалького баланса, основности агломерата и теплово-■о баланса, определены расчетные значения компонентов екхты, теп-¡ового !5 гезозого балансоя процессов спекания. За основу расчета ¡атериадъного и теплового Салаясов процесса агломерации взят ме-•од Е.Ф.Вегмана, дополненный уравнениями балансов железа - Fe и ¡агкезил - MgO. На основе списанных методик была получена усовер-юнствованная модель процессов спекания расчета агломерата, при-•одная для анализа количества BSP от AM. Репая систему ив пяти 'равнений, имеется возможность одновременно определять расчетные тачения концентрата (К), руды (R), известняка (I), доломита (D) I топлива (Т) и их влияние на процесс спекания. Произведен анализ (нерго-технологических показателей при расчете метаялиаованного гломерата. В ходе расчета теплового баланса определяется хими-[еский состав аглогавов в вакуум камерах и перед эксгаустером.

Усовериенствоваяная модель полного расчета агломерационной ихты позволяет получить зависимости изменения К, R, I, D, Т, 'ejnet и окислитель но- восстановитель них реакций-0/У от следующих •ехнологических характеристик агломерата:

- f(Fe_affl)^

- f(Fe_a¡cl)

- f(Fe_atrl)

- f(Fe_agl)

- f(Fe_ael) o/v-f(Fe_agl)

К - f(MgO_ajl)^ R - í(MeO_e«l)

I - f(M&0_agl) D - f(KfeO_sgl) T - f(MsO_figl) o/v-f (l?g0_22l).

(1)

(4)

3 -

К - f(FeO_agl)" R - f(FeO_agl) I - f<FeO_agl) D - f(FeO_agl) T - f(FeO_agl) o/v-f (FeOagl)

К - f(Fe_met) ' R - f (Fejnet) I,- f(Fe_met) D - f (Fejnet) T - f(Fe_met) o/v-f(Fejnet) a

К - f(Ca0/S102fl R - f (CaO/SiCE) I - f(CaD/S102) ^ (2) D - f(Cc*)/S102)f(3) T - f(Ca0/Si02) o/v-f(CaD/Si02)

(5)

Математическая модель (Ш) позвавзет проачаглэйровать и получить зависимости изменения расхода твердого тошюва-Т, от нжда-нення влакности иияты-У, возврата агломерата-В1, коэф£»!циеита избытка воздуха в спекаемом слое-а1Га, от изменения количества теплоты, вносимое закигатедькьм горном-сцгогп, от «вменения температуры иияты- 1_сЬ, дополнительного количества теплоты, вносимой в агломерируемый слой-сцкф.

В1, а1Га, <игот, 1_сЬ, ч_<1ор). (6 )

Задавая значение количества теплоты, вяосююа горной аглома-вины, и доли доменного (дг), коксового (КГ) я ¡гр «родного (ПГ) газов вычисляется количество я объем продуктов горе яки от сяягат горючей газовой смеси. Объем продукте« горения гааооОрааиого топлива Судет определяться в соответствие с уравнением (7).

V_pB_sn»-f (x_d?, xjcg, x_pf, q_Born),

<7 )

где, x_dí, x_k(f, kji - холи ДГ, КГ * ПГ i горке* га смеси я являются варьируем»« параметрами.

Такж обрааом Mi усовершенствованного алгоритма поеного чета агломерационной вкхты позволяет исследовать и получип ии-го-технологические характеристики агломерационного проииахстм, определять количество теплоты с укодяатм гимми, ом|млмпь количество ВЭР от аглсмэпты в вкде теплоты уходяят газов и готе-

кого агломерата, получать экологические характеристики по шбрс сам СО в ОС.

Следует отметить, что используемая в настоящее время бадан совая модель расчета агломерационной шихты позволяет вычислят суммарное количество теплоты аглогазов, поступающих к эксгаусте ру. Температура по длине АМ и, соответственно, в вакуум-камерах балансовой модели принята постоянной величиной, что не отвечав реальному распределению температур. Исходя кз этого, был разрабо тан алгоритм определения количества теплоты уходящих газов по за даяному ьначению минимальной температуры. Предложенный метод поз воляет определить действительную температуру аглогазов по длин< 'АМ и определить количество теплота идущее, на утилизацию в КУ 1 па регенерацию в АМ.

Разработан алгоритм определения количества теплоты горячен воздуха от ОА по заданному значению минимальной температуры. Варьируя значения минимальной температуры от ОА, можно исследовать и получать зависимость работы системы состоящей из элемента АМ, КУ и ОА.

Адаптирована методика и программа расчета КУ к энерго-техио-логической системе АЛ. Программа расчета КУ позволяет получать зависимости и режимы работы КУ от выхода количества БЭР в АП.

: Разработан алгоритм расчета камеры дожигания (КД) окиси углерода к повышения потенциала теплоты уходящих газов перед КУ. Камера дожигания СО имеет три основных назначения: нейтрализация окиси углерода до двуокиси углерода; утилизация химической энергии окиси углерода; повышение температуры аглогазов перед КУ.

Разработанный алгоритм КД позволяет: получать закономерности работы системы состоящей из АМ, КД и КУ; определить эффективность использования КД при утилизации и нейтрализация окиси углерода; устанавливать зависимости изменения экологических и энергетических характеристик от температуры входа аглогазов в КУ.

Для анализа энергетической эффективности утилизации ВЭР в АП был разработан алгоритм расчета, экономии условного топлива в энерго-технологической системе агломерационного производства. Была рассмотрена система, состоящая иа АМ, ОА, КД, КУ , потребителя теплоты (ПТ) и теплоутилизационной электростанции (ТУЭС), Для того, чтобы рассмотреть энергетическую и экологическую эффективность утилизации ВЭР в АП. необходимо замкнуть элементы системы на внешние источники энергоносителей и на производителей тепловой

И ЭЛеКТрИЧССКОЙ энерг)'!! Ш.

Зкоаоиия условного топлива системы состоящей из Ш, КД, КУ, котельной (К) и ПТ определялась по формуле:

ЛВфакт1-ДВ1-Вк<1*аВап, (в)

где Д8факт1-фактическая экономия условного топлива в системе АМ, КД, КУ, К и ПТ; ДВ1-Вкт-зконоиия топлива в котельной на еа поступления к части потребителей пара от КУ; ВксЬ количество условного топлива, израсходованного в КД для повышения потенциала теплоты Овэр до ваданной температуры входа в КУ (определяется в ходе расчета КД); ДВаи-измекение расхода условного топлива на процесс спекания вследствие изменения требований к технологическим характеристика»! производимого агломерата и изменений количества ВЭР и их параметров в системе регенерации АМ при утилизации оглогазов.

Экономия условного топлива системы состоящей нв АМ, КД, КУ, К, КЭС, ПТ и потребителя электроэнергии (ПЭ) будет определена по формуле:

йВфакт2-ДВ2- Вкс^ДВат, • (9)'

где йВ2-экономия условного топлива нй КЭС и котельной из-за получения частью потребителей пара и электроэнергии от ТУЭС; йВфакт2-фактическая экономия условного топлива в системе АМ, КД, КУ, К, КЭС, ПТ и ПЭ.

Созданная Ш энерго-технологической системы АП позволяет рассмотреть сложные взаимосвязи, как отдельно взятого элемента системы, так и рассмотреть всю систему в целом. На основе созданного инструмента можно моделировать процессы приближенные к реальным условиям работы АП, а также имитировать экстремальные режимы работы технологического и утилизационного оборудования.

ТРЕТЬЯ ГЛАВА посвящена построению оптимизационной модели зяерго-технологической системы агломерационного производства. Проведен анализ алгоритмов и методов оптимизации. Математическая модель энерго-технологической системы АП относится к задачам нелинейного программирования. Процессы горения топлива, вычисление

1 л - 1С -

энтальпии и теплоемкостей уходящих газов и водяного пара, определение количества теплоты уходящих газов и т.д., имеют нелинейные зависимости.

Математическая модель энерго-технологической системы АП относится к сложной задаче со специфическими особенностями, затрудняющими применение традиционных алгоритмов и методов оптимизации. К настоящему времени не разработано ни одного универсального метода, который позволил бы решить задачу данного класса.

Для решения оптимизационной задачи энерго-технологической системы АП был выбран усовершенствованный алгоритм прямого поиска - ОБГО, и адаптирован к условиям работы элементов системы АМ, ОА, КД, КУ и ТУЭС.

Для проведения оптимизационного расчета акерго-техколопгчес-кой системы АП была применена унифицированная схема утилизации теплоты аглогазов и горячего воздуха от охладителя агломерата (рис.1). Данный вариант схемы, наиболее полно отражает существующее положение работы АФ, дает возможность просчитать варианты использования БЭР различными способами. Разработанная схема позволяет учесть следующие взаимосвязи в системе:

-использование теплоты возврата агломерата; г использование теплоты уходящих газов на регенерации в Ш; -использование теплоты горячего воздуха от ОА в АМ; -использование теплоты уходящих газов и горячего воздуха для выработки пара в КУ;

-повышение потенциала теплоты аглогазов в КД; -использование химической энергии аглогазов посредством КД; -дожигание СО аглогазов в КЗ;

-определение химического состава аглогазов на выходе из КУ; -определить производительность КУ по заданный параметрам пара;

-определить энергетические характеристик ТУЗС от изменения производительности и параметров пара КУ;

-определить технологические характеристик» АЫ при спекании агломерата, а так ж определение влияние пря »вменение технологически яарвктвристик на работу системы;

-определять влияние степени металлизации агломерата на амо-логичесиие и энергетические характеристики системы;

-оаределить энергоемкость в агло-доменном производстве при квменеме технологии производства агломерата к его качественных

- 13 -

характеристик с учетом использования ВЭР в АЛ;

Внедрение перечисленных направлений по использованию ВЭР может принести значительный эффект в процессах энергосбережения.

Для определения количества оптимизируемых переменных & №4, предварительно рассматривались взаимосвязи различных элементов системы между собой. Выделялись параметры, которые в большей степени влияют на изменение режимов работы системы АП и определялись особенности влияющие на режимы работы АП.

Изменение технологических характеристик агломерата, таких как Ге_агл, ГеО, СаО/ЗЮг, У, В1, приводит к изменению процентного состава шихтовых материалов, что приводит к изменению расход твердого топлива на процесс спекания. 8 свое» очередь, изменение расхода твердого топлива ведет к изменению теплового и газового балансов.

На расход твердого топлива оказывают влияние количество теплоты, вносикое зажигательным горном, количество аглогааов, идущих на регенерацию в АМ, температура шихтовых материалов перед спеканием. Состав аглогаэов зависит от: -вида сжигаемого топлива; от изменения процентного соотиопения шихтовых материалов; от количества вредных присосов; доли сгорания углерода шихты с образованием 00/002 и ряда других факторов.

В Ш предусмотрено, что ОА работает в установившемся режиме. Поэтому, ОА является элементом системы, который может влиять иа режим работы АМ и КУ. В рассматриваемой системе предусмотрено, что ВЭР от АМ и ОА идут независимыми потоками.

Рассмотрена взаимосвязь ОА и КУ в системе АП. На производительность КУ оказывает влияние начальные параметры генерируемого пара, количество и начальная температура горячего воздуха от ОА. Количество подаваемого воздуха будет определяться температурой входа в КУ. При утилизации теплоты аглогааов, с использованием КУ, справедливы вышеизложенные высказывания, с той лишь разницей, что при изменение режимов спекания меняется тепловой и газовый баланс процесса агломерации. В том случае, если к элементам АМ и КУ добавить КД, то энерго-технологическая система будет работать иначе. На работу элементов АМ, КУ и КД будет оказывать влияние начальная минимальная температура аглогааов от АМ и температура входа газового потока в КУ. От значения минимальной температуры зависит количество окиси углерода, которое модно дожечь в КД. Количество аглогааов, идущих в КЛ, зависит от требований к начяль-

ной температуре на входе в КУ. Варьируя значениями минимальной температуры аглогазов от АМ и начальной температурой продуктов горения на входе в КУ после КД можно установить режим, при котором весь поток аглогавов Судет проходить через КД. В случае, когда весь объем аглогазов от АМ проходит, через КД имеется возможность максимально утилизировать химическую энергии окиси углерода.

Рассматривая ТУЭС, можно выделить следующие основные параметры влияющие на работу системы. К ним относятся:-расчетные характеристики ТУЭС, т.е. начальные параметры генерируемого пара; -паропроизводителькости КУ;-наличие внесшего, потребителя теплоты и электрической энергии. Необходимо учитывать, что на режет роботы ТУЭС будет оказывать влияние характеристики КЭС, ТЩ и ¡еттеаь-ной в системе.

Исходя из вышеизложенных рассуждений были определены следующие оптимизируемые переменные (Ш) в энерго-гехнологической сага-теме АШ -

х_<1г-доля доменного газа в горн АМ; х_к£-доля коксового газа в горн АМ; х_кт-яоля коисоеон мелочи в твердом топливе; х_гее_АМ-доля аглогазов на регенерация в АМ; х_тог_гее_АМ-доля горячего воздуха от ОА на регенерацию в АМ; х_агки-доля аглогазов на утилизацию в КД и КУ1; х_У02«и-дадя горячего воздуха на утилизацию в КУ2; х_с)гКСЬдоля доменного газа в КД; х_кгКЕЪдоля коксового газа в КД;

x_t_.tnln_.AM-минимальная температура аглогазрв от АМ к системам утилизации и регенерации;

x_t_.KD._KU- требуемая температура газов на входе в КУ1; х.Оеогп количество теплоты вносимое горном агломаяины; х_Р0_К1)1-давление перегретого пара от КУ1; х_Р0_КЦ2-давление перегретого пара от КУ2; *

п_0А-минимальная температура горячего воздуха от ОА к системам утилизации и регенерации;

степень металлизации агломерата; Удельный объем газовой смеси, состояний ив доменного, коксового и природного газов, и поступающей в зажигательный горн АМ определяется в зависимости от оптимизируем« величин х_<1г и х_к?. Удельный обгем и доля природного газа зависит от изменения долей

х_йг. х_ке' и определяется по выражениям:

(i-x_.de) -Ое;

х_рг-(1-х_(1е~х_кг) -х_рг

(10) (И) (12)

где х_рг - доля природного газа в газовой смеси; Количество теплоты, вносимое зажигательным горном х_С&огп оказывает влияние на удельный расход газовой смеси и твердого топлива в шихте при производстве агломерата.

По доле коксовой мелочи определялось количество антрацитового штыба в шихте и суммарный расход твердого топлива на процесс спекания. По значения х_Ь_ш1п_АМ определялось количество аглогазов, которое направлялось в теплоутилизационное устройство и на регенерацию, а так кэ в ОС. Количество аглогазов, идущих на регенерацию в АМ, зависит от х_Ь_т!п_АМ и х_гег_АМ, а значение х_агШ определялось по формуле:

По значения x_.t_KD._KU определялось количество аГлогазов, направляемое в КД для повышения температуры перед КУ до заданного значения. По значениям и определяли состав газовой

смеси, идущей в КД, которая состоит из доменного, коксового и природного газов. Значения х_кеКБ и х_р{?К0 определяются по аналогии с 10-12. Изменение долей х_<ЗгК0, х_квКЛ и х_р?КЛ оказывает влияние на колориметрическую температуру горения горючей смеси и на объем уходящих газов перед КУ.

По значению x_t._mln_.0A определялась температура и количество горячего воздуха, идущего в КУ2 и на регенерацию в АМ. Количество горячего воздуха, идущее на регенерацию в АМ, зависит от х.Л_п1п_0А и х_У02_гее_АМ, а значение х_УогК11 определялось по формуле:

Давление перегретого пара от КУ1 и КУ2 определялось в зависимости от изменения х_Р0_КШ и х_Р0_Ш2. Изменение давления перегретого пара оказывает влияние на количество генерируемого пара В КУ1 и КУ2.

х_агКЦ-(1-х_гег_АМ)-х_агКи.

(13)

х_У0гКи-(1-х_У02_гее_АМ)-х_ТО2_ки.

(14)

Для исследования режимов работы при изменение степени металлизации агломерата в модель была введена оптимизируемая переменная х_Ре_теЬ. При ее варьировании происходит изменение технологических характеристик агломерата и процесса агломерации, изменяется химический состав аглогазов, происходит изменение теплового и материального балансов. Как следствие, вся знерго-гехнодогическая система переходит в другой режим работы.

Математическая модель предусматривает три варианта нахождения локального оптимума. Первый вариалт-это минимальный расход условного тояягаа в системе, второй вариант-минимальные затрата на энергоносители и третий вариант-минимальный уцэрб от выбросов СО в системе.

Только после тщательного анализа и выявленных заганокернос-тей в ходе дискретного расчета можно приступать к проведению оптимизационного расчёта энерго-технологической системы АП.

В ЧЕТВЕРТОЙ ГЛАВЕ проводится анализ результатов расчета и оптимизации знерго-технологической системы агломерационного производства. Созданная Ш позволяет провести анализ знерго-технологической системы АП по трем основным направлениям:

- рассмотреть энергопотребление в АП в зависимости от изменения технологических характеристик шихты и агломерата, энергетических характеристик агломашины;

- провести анализ энергопотребления энерго-технологической системы с учетом использования БЭР по предложенной унифицированной схеме;

- произвести оптимизационный расчет знерго-технологической системы по энергетическому, экологическому и стоимостному критериям; " -

В ходе адаптации Ш применительно к условиям существующих АП были выявлены закономерности и получены результаты работы знерго-технологической системы. Получены зависимости энергопотребления в АП от изменения рудной базы пихты, влажности шихты, процентного содержания возврата в шихте, марки твердого топлива, состава газовой смеси, количества вредных присосов в спекаемом слое и по тракту АМ, от количества теплоты, вносимой горном и качественных характеристик производимого агломерата.

Было определено влияние рулной базы шихты на энергопотребление, при производстве агломерата, на трех комбинатах - ЧерМК, ДИК

и КарМК. Приедены даше tío потреблению энергоносителей на процесс спекания ( рнс.2). На представленной гистограмме видно, что расход КМ на ДМХ. самый низкий из трех представленных комбинатов, хота АЛ ЧерМК и КарМК имеют в своем составе примерно такрэ же технологическое оборудование. При анализе исходной информации о химическом составе руды, концентрата, извести, доломита я метая-лосодер.тадих добазках и проведении расчетов подучили, что расчетные расходы КМ и антрацитового штыба (АШ) соответствую? отчетным данным рис.2. Были подучена закономерности изменения расхода твердого топлива от изменения з агломерате ГеО и Fe_oög и ряд других технологических характеристик. В коде расчетов быго определено, что при изменении технологии производства агломерата расход твердого топлива на процесс спекания может меняться от от 4 до 7.3 кг/100кг. агл., а в случае производства метаализованного агломерата расход коксовой мелочи может составлять от 10 до 30 кг/ЮОкг. агл.. На примерз ЧерМК, показано, что изменение технологических способов производства агломерата к утилизация ВЗР в АП, может привести к снижении потребления знергоресурсов с 93 до 70-75 кг.у.т. на тонну агломерата или 180- 230 тыс. т.у.т. год.

Из вышеизложенного следует, что нельзя однозначно говорить о высоком или низком потребление твердого топлива на процесс спекания, в рассматриваемых производствах, не проанализировав химсостав рудной базы шихты. В данном случае Ш' позволяет произвести расчет процесса спекания на любой химический состав шихты.

ChrMK

ккшрх т_и»=-еяи TjninJüfcriooß

sssa

ян

BBS

1С

1с

£223

ю кягз

Пл

5-

<.........— 3.........

¡•У

о.....

b>4.W* Ы

СЛЖ

ico tai w т яп икв ra

Рис. 2.

Рис. 3.

Для•исследования энергопотребления о агло-доменном проиа водстве бша адаптирована Ш расчета доменной плавки совместно с Ш расчета агломерационной шихты. Получены зависимости энергопотребления, изменения экологических характеристик, выхода ВЭР при производстве обычного и металлиэовашого агломерата в агло-домеи-ном производстве.

Изменение количества выбросов СО при переходе на другие качественные характеристики агломерата ярю выражено при производстве металлизованного агломерата.

В ходе расчетов теплового и газового Оалачсов процесса спекания с обычными требованиями к качественным характеристикам агломерата получили, что количество выбросов окиси углерода лежит в пределах от 2.5 до 3.3 кг. С0/1СЮ кг. агл.. Количество выбросок оккси углерода, в первую очередь, зависит от расхода твердого топлива на процесс спекания к отиосешш степени сгорания углерода образованием С0/С02. Переход на производство металдизованшго агломерата (Ге_те1- ЗОХ) приводит к увеличению выбросоз по СО примерно в три раза, по сравнения "с обычным вариантом.

Например, количество выбросов СО на ЧерМК по АЛ находится в пределах 300 тис.тонн в год. В случае если качать производить ые-таллкзованный агломерат, то количество выбросов СО мог»? достигать 900 тыс. тонн в год., а т, к. АН является салл; яо^.ьй.: источником ВВ, то необходимо предусмотреть мероприятия, которые могли бы уменьшить количество выбросоз СО независимо от способа и требований к качественным характеристикам производимого продукта.

В ходе исследований определялась зависимость количества вредных выбросов в ОС от «вменения значения минимальной температуры от АМ на утилизацию. В качестве начальных условий задавались температурой входа в КУ 550 С, давлением перегретого пара 3.5 ДО& и температурой перегретого пара 420С, температурой уходящих гавов перед эксгаустером от 130 до 150С, коэффициентом вредных присосав в слое 1.3, а по тракту АМ 1.7.

Показано, что если Ь_т1п_А)*-1бО С, то весь поток аглогавов идущий до этого в эксгаустер, должен направляться на утилизацию в КД и КУ. Аглогааы, идущие в КД. являются окислителем горючей газовой смеси. Объем окислителя (аглогазов) определялся иг начальных условий, т.е. по температур входа смеси, состоящей из аглогазов идущих в КУ, минуя КД, и уходящих газов от КД. В рассмотренном частном случае температура входа газов перед КУ Т_кс1Ки

должна Сыть не менее 550С. Для того, чтобы температуру входа в КУ повысить со 150С до 550С, необходимо сжечь дополнительное количество газового топлива ( Ь_к<3) на окисление которого пойдет одна часть аглогазов, а другая часть пойдет непосредственно в КУ минуя КД. Рассмотренный частный случай утилизации и нейтрализации СО с учетом энерго-технологических взаимосвязей между АМ, КУ, КД и ТУ-ЭС показал (рис.3), что увеличив температуру входа перед КУ посредством КД со 100С до 1000С, можно сократить количество выбросов СО в десять раз. При этом были найдены два локальных оптимума энергетической эффективности применения КД, КУ и ТУЭС. Максимальная экономия условного топлива при замещение пара котельной имеет место, когда температура газов перед КУ равна" 700С, а в случае выработки электроэнергии на ТУЭС и отпуска теплота потребителю, температура входа газов в КУ должна быть около 850С. Были получены аналогичные зависимости при изменение начальных параметров пара КУ- (давление пара от 0.8 до 9.0МПа), степени металлизации агломерата (от ВХ до 302) и определены оптимума для каждого рассматриваемого случая.

•В ходе оптимизационного расчета энерго-гехнологичесгаэй системы АП по энергетическому, экологическому и стоимостному критериям были найдены локальные оптимумы. Было показано, что каждый локальный оптимум лежит в различных точках исследуемой задачи. Исходя иэ этого сделан вывод, что выбор вариантов утилизации ВЗР зависит от того, какие цели необходимо достичь при решение оптимизационной задачи (уменьшить количество выбросов в ОС, получить минимальный расход топлива в системе или минимум затрат на.энергоносители) .

В ЗАКЛЮЧЕНИИ изложены основные научные и практические результаты, полученные в диссертационной работе, определены направления дальнейших исследований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны алгоритм расчета и модель знерго-технологической системы агломерационного производства на основе методов математического моделирования, создана унифицированная схема знерго-технологической системы АП.

2. Разработаны алгоритмы расчета и математические модели АМ, ОА, КД. ТУЭС, адаптирована Ш КУ к условиям работы АП.

3. Показано что энергопотребление AM вавксит от изменения сырьевой базы и качественных характеристик производимого агломерата.

4. Рассмотрена энерго-технологическая взаимосвязь с ДП.

Б. Определен минимальный ущерб окружающей среде и найден оптимальный вариант утилизации ВЭР в анерго-технологической системы.

6. Показано, что для увеличения выработки пара в КУ можно использовать аглогазы в качестве окислителя в КД. При использовании аглогазов в КД Судет происходить нейтрализация окиси углерода и как следствие снижение выбросов СО. Возможен вариант полного использования аглогазов в КД с уменьшение количества выбросоз по СО в пять, семь раз.

7. При проведение тестовых оптимизационных расчетов по схеио АМ+ОА+КУ-+ТУЭС по пятнадцати оптимизируемым переменным показано, что часть аглогазов необходимо направлять на подогрев шихты и в зону стабилизации (за горном аглоиапшш), а оставшуюся часть аглогазов и горячий воздух от Оа'направлять в КУ для отпуска теплоты ПТ и выработки электроэнергии.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Борисов Б.Г., Шомов П.А. Использование ВЭР в агломерационном производстве и оценка вредных выбросов в окружаадую среду. // 3-й Всесоюзной научной конференции по проблемам энергетики теплотехнологии "Интенсивное энергосбережение в промышленной теплотехнологии": Тез. докл. -М., 1991. - с. 78.

2. Борисов Б.Г., Шомов П.А.. Никуленков К.Е. Источники и использование ВЭР в агломерационном производстве // Меддунар. науч-но-технич. конференции "Состояние и перспективы развития алектро-технологии" (С Бенардосовские чтения): Тез. докл., Иваново, 1992.

3. Никуленков К.Е., Шомов П.А. Потребление кислорода в конвертерном производстве.стали // Междунар. научно-технкч. конференции "Состояние и перспективы развития злектротехнологии" (б Бенардосовские чтения): Тез. докл. Иваново, 1992. - с. 70.

С. 53,

11<| ыщ цми V IM 441 и Л

* US_w €¿0

К(М. и<*ьл*а\'ы*--«»ми. Ы