автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.16, диссертация на тему:Разработка алгоритмов и моделей энерго-экологического анализа технологических процессов и оценка энергозатрат на примере металлургических технологий

, ц «»

На правах рукописи

Дн:

I

ДРУЖИНИНА Ольга Геннадиевна

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОЦЕНКА ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПРИМЕРЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность 05.1ЗЛ 6 - Применение вычислительной техники,

математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Екатеринбург 1998

Работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление и техннчесм системах» Уральского государственного технического университета.

Научный руководитель -

Действительный член АИН Р< Заслеженный деятель науки и технш РФ, профессор, доктор технических на;

В.Г.ЛИСИЕНКО

Научный консультант -

доцент, кандидат технических наук В.П.ГОЛУБЕВ

Официальные оппоненты:

профессор, доктор технических наук

Н.А.СПИРИН

с.н.с., кандидат технических наук Г.Б.ЗАХАРОВА

Ведущая организация -

Уралэнергочермет, г.Екатеринбург

Защита состоится «25» декабря 1998г. в 15.00 час. в ауд. Р:237 на заседаю диссертационного совета К.063.14.13 Уральского государственно технического университета по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 3 УГТУ-УПИ, РТФ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УГТУ.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью, проа направлять по адресу: 620002, г.Екатеринбург, ул.Мира, 19, ученому секрета): Уральского государственного технического университета.

Автореферат разослан «25» ноября 1998 г.

Ученный секретарь

диссертационного совета, ,

кандидат технических наук ' В.А.МОРОЗОВА

СЖЩЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РА КОТЫ

Актуальность темы

Научно-техническая революция и овладение дополнительными источниками энергии присели к значительной энерговооруженности человеческого труда. Однако ограниченность ископаемых источников энергии, экономические и экологическое соображения сделали энергосберегающую политику одним из главных факторов технического прогресса, поскольку экономия топлива и энергии приводит не только к уменьшению энергоемкости продукции, но и к уменьшению вредных выбросов в окружающую среду.

Более 12 тыс. крупных предприятий России, составляющих основу ее промышленности, используя практически все виды природных ресурсов и самые разнообразные технологии та переработки, оказывают негативное воздействие на состояние окружающей среды. Преобладающее воздействие па загрязнение окружающей среды оказывают предприятия энергетической, топливной и металлургической промышленности.

Экологические вопросы могут решаться по-разному: это и мониторинг загрязнения окружающей среды, и штрафы предприятий за выбросы для компенсации экономического ущерба от загрязнения окружающей среды, .и оценка риска для здоровья населения, и экологизация производства: экономное расходование сырья, комплексное использование природных ресурсов, создание новых технологических систем, обеспечивающих малоотходное и безотходное производство, замкнутые циклы водоворота, утилизацию отходов.

Однако становится все более ясным, что вопросы экологизации промышленности, в частности металлургии, надо решать комплексно в тесной связи с задачами энергосбережения, при этом детально анализируя особенности технологии, учитывая энергетические и материальные затраты на предыдущих стадиях производства, утилизацию отходов, производство побочной продукции.

Поэтому является актуальной проблема разработки алгоритмов и моделей сквозного энерго-экологического анализа (СЭЭА) технологических процессов, учитывающих вопросы энергосбережения, экологизации и экономичности технологий.

Цель работы

На основании вышеизложенного целью настоящей работы явилась разработка алгоритмов и моделей сквозного энерго-экологического анализа технологических процессов для исследования и оценки энергозатрат на тримере металлургических технологий.

Методы исследования: теория графов, методы математической патистики, теория вероятности, численные методы, системный анализ, метод жвозного энергетического анализа.

Научная нопшиа

Разработана модель комплексного СЭЭА технологическими процессами. Модель построена с учетом компенсации экономического ущерба от вредных выбросов и затрат энергии в единицах условного тоилива на единицу продукции. Разработан новый показатель - ТЭЧ, характеризующий количество килограмм условного топлива, требуемого для погашения стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции. Разработаны алгоритмы и программное обеспечение для сквозных энергетического и экологического анализа технологических процессов, в том числе в диссипативной форме. Проведен СЭЭА бескоксовых и малококсовых технологий и выявлены перспективные варианты.

Практическая ценность

С помощью программного продукта, представляющего собой расчет технологических топливных чисел (ТТЧ) и технологических экологических чисел (ТЭЧ) в структурированном и диссипативном виде, проанализирован ряд металлургических производств и технологических процессов, представляющих значительный интерес в плане экономии энсргоресурсов, снижения энергозатрат, уменьшения расхода кокса. В частности проанализировано производство бескоксовых процессов с применением металлизации окатышей. Проведен СЭЭА многостадийного производства АО ЧусМЗ и предложены перспективные энергосберегающие схемы производства легированных ванадием сталей, в частности с использованием феррованадия, выплавляемою в доменной печи с применением газификатора Г1ЖВ. Программное обеспечение расчета ТТЧ и ТЭЧ внедрено для использования в АСУ доменного цеха АО ЧусМЗ. Разработан способ и подана заявка на изобретение способа бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали, отличающегося снижением энергозатрат и вредных выбросов, атак же повышением содержания ванадия в стали.

Апробация работы

Материалы диссертационной работы доложены и обсуждены на следующих конференциях и сообщениях: Международном семинаре «Modeling, Advanced Process Technology, Expert and Control Systems of Heat and Mass Transfer Phenomena» (г.Екатеринбург, 1996), Региональной научно-практической конференции «Состояние и перспективы развития эффективного использования энергии в Пермской области» (г.Пермь, 1997), Всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии, системы управления и электроника» (г.Екатеринбург, 1997), Юбилейной на\чно-технической конференции «Подготовка кадров и экологические проблемы энергетики», посвященная 65-летию кафедры ГЭС (г.Екатеринбург, 1997), Второй всероссийской научно-технической конференции «Информационные технологии и электроника» (г.Екатеринбург, 1997), научно-техническом

совещании у генерального директора ЛО Чуе\13 «„г.Чусоиои, !()1'7), международной научно-технической конференции «С творческим наследием К.И.Китаева- в XXI пек» (г.Екатериибург, 1998).

Публикации

Основное содержание диссертации отражено в 9 публикациях и заявке па изобретение.

Положения, выносимые на защиту

1. Модели и алгоритмы сквозного энерго-экологического анализа применительно к металлургическим процессам и производствам.

2. Разработанный новый показатель технологического экологического числа, с учетом энергозатрат на компенсацию экономического ущерба от вредных выбросов в единицах условного топлива.

3. Результаты исследований комплексной оценки энергозатрат и вредных выбросов энерготехнологических производств с помощью разработанной модели сквозного энерго-экологического анализа различных традиционных и новых малококсовых и бескоксовых металлургических технологий.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения, изложена на 155 страницах машинописного текста, иллюстрирована 16 рисунками и 29 таблицами, включает библиографический список литературы из 118 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и 2 приложений на 4 страницах.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.

Проблема сохранения природной среды, рационального использования природных богатств нашей планеты, в том числе топлива и энергии в настоящее время приобрела большую актуальность.

Для объективной оценки возможностей энергосбережения недостаточно изучать расходы энергоресурсов в отдельно взятом технологическом переделе и по отдельным энергоносителям ("метод теплового баланса для топлиБнопотребляющих агрегатов или оптимизации электрических нагрузок для энергопотребляющих механизмов, печей или систем и др.). Необходимо повысить интегральный коэффициент использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на конечную продукцию с учетом как расходов всех видов Т9Р на всех стадиях технологического процесса от добычи сырья и топлива до производства конечной продукции, так и ее качества. Решение этой задачи обеспечивает энергетический анализ, в частности метод расчета технологического топливного числа (_1ТЧ) процесса или изделия, как научное направление, находящееся на стыке экономики, энергетики и технологии и

основанное па расчете сквозных суммарных затрат энергии в их иерархическом последовательности. Существенный вклад в разработку метода расчета ТТЧ п структурированной и диссипативной форме был внесен в работах уральской школы УГТУ и Уралэнергочермета.

Проблемы энергосбережения и экологизации производства тесно связаны между собой, поскольку энергосберегающие технологии ведут не только к экономии топлива, но и несомненно к уменьшению вредных выбросов, связанных с сжиганием органического топлива, поэтому необходим комплексный подход при анализе энерготехнологических процессов.

Дорогостоящие очистные сооружения всегда отстают по своей эффективности от прогрессивного развития производства. Даже рассеянные до допустимых концентраций вредные вещества, хотя и не представляют локальной опасности загрязнения атмосферного воздуха, вызывают определенную нагрузку на окружающую среду.

По современным оценкам примерно 20% заболеваемости населения связано с провоцирующим действием загрязнения окружающей среды. На сегоднешний день имеются результаты исследований, оценивающие риски для здоровья населения в виде экономического ущерба от загрязнения окружающей среды, которые на порядок расходятся с оценками экономического ущерба по типовой методике.

Поэтому приоритетным направлением в охране окружающей среды должны быть разработки новых безотходных технологий, которые в гораздо меньшей степени нуждаются в использовании очистных приспособлений. Переход на экологически чистое производство к тому же имеет ряд несомненных экономических преимуществ: экономия энергии, сбережение сырья, снижение штрафов за выбросы в окружающую среду.

При разработке новых технологий методики сквозного комплексного энергетического и экологического анализа часто не используются, что приводит к неясностям и расхождениям в оценке преимуществ и недостатков вновь разработанных технологий. Отсутствует достаточная алгоритмическая основа и программное обеспечение любого ряда расчетов. Поэтому значительный интерес представляют разработанные методы сквозного энергетического анализа в структурированной и диссипативной форме.

Вышеизложенное позволило сформулировать задачи данной работы.

1. Разработать алгоритм, модель и программное обеспечение для энергоэкологического анализа энерготехнологических процессов на примере металлургических технологий и производств.

2. Разработать новый показатель энерго-экологических затрат с учетом компенсации экономического ущерба от загрязнения окружающей среды и оценки риска для здоровья населения.

3. Провести сравнительный сквозной энерго-экологический анализ традиционных (получение чугуна в доменной печи) и новых металлургических технологий (печи жидкофазного восстановления (ПЖВ) - утилизатора,

i ази<|>пк;:1 ора ПЖВ, доменной печи с применением горячих восстановите.п>ных газов (ГВГ), процесс Корекс).

4. Провести сравнительный анализ энерго-экологических затрат для производств с полным металлургическим циклом традиционного (агло-коксо-домеиного) и бескоксового (процесс Мидрекс) производства стали.

5. Выполнить оценку энерго-экологических затрат производства легированной ванадием стали традиционным способом (для АО ЧусМЗ) и с использованием ванадийсодержащих металлизованных окатышей, получаемых в шахтной печи с паровой конверсией.

6. Разработать и проанализировать способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья для получения легированной ванадием стачи с применением газификатора ПЖВ.

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГОЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

ПРОЦЕССОВ

В основе модели сквозного энерго-экологического анализа (СЭЭА) энерготехнологических процессов заложена сквозная оценка экологически вредных выбросов по всей технологической цепочке при производстве какого-либо продукта, образующихся при использовании топлива и энергии, а также соотношение энергетических затрат и эквивалентных величин экономического ущерба, наносимого окружающей среде за счет вредных выбросов.

В разработанной модели СЭЭА сложные технологические процессы представлены в виде иерархической восходящей структуры, а все формы вредных выбросов сведены к единому универсальному показателю -технологическому экологическому числу (ТЭЧ).

ТЭЧ представлено как количество килограмм условного топлива (кг у. т.), требуемого для погашения стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции (кг у.т./т прод.). При этом для удобства расчетов за стоимость топлива принята цена природного газа:

С ff и

ici m

где т„ - суммарная удельная приведенная масса вредных выбросов в тоннах вредных выбросов на тошгу продукции (т у.выбр./т прод.); С„„= 34650 руб./т у.выбр. - плата за приведешгую тонну выбросов (стоимостная оценка экологического ущерба определяется по максимальной ставке за сверхлимитный выброс 1 тусловного загрязняющего вещества); С„;,..= 280 руб.

за м3 природного газа (цены 1997г); (У - низшая рабочая теплота сгорания

—-и пр.г.

природного газа, МДж/м3, О' =29,309 МДж/кгу.т. - низшая рабочая теплота

^ к.у.т.

сгорания условного топлива. Значения /»„ выражены следующим оор;пом:

к

где Мк - фактическая удельная масса вредных выбросов А-го загрязнителя, т выбр./т прод. для /-го передела; Лк - коэффициент агрессивности А-го загрязнителя, т у.выбр./т выбр.

Коэффициент перехода от стоимостной оценки ущерба к оценке в условных энергетических единицах (кг у.т./т у.выбр.) был представлен:

С &

уел т

Например, для принятых значений Сга=34,65 руб/т у.выбр., С„рг=0,28

3 1.......... 1 А1 ПОЧ. пР

руб/м3 (цены на 1.01.98); =35,8МДж/м\ {Т _ =29,3 МДж/кг у .т.

коэффициент Ки составляет 0,15 кгу.т./кгу. выбросов.

Величина К„ характеризует степень компенсации экологического ущерба в кг у.т. при действующем соотношении цен на условное топливо и платы предприятия за условные выбросы.

Структурированная модель СЭЭА в форме ТЭЧ базируется на выделении в рамках элементарного технологического звена (передела) следующих основных элементов вредных выбросов, образующихся при сжигании топлива и использовании энергии: первичные выбросы Вь производные выбросы В2, скрытые выбросы В3 и полезно-используемые выбросы В.ь т.е. ТЭЧ для конечного продукта представлено в следующем виде:

ТЭЧ = А;*(В1+В2 + Вз-В4). (4)

При этом каждый элемент вредных выбросов представлен в виде суммь: ТЭЧ с соответствующими расходными коэффициентами, необходимых для компенсации экономического ущерба от загрязнения на данных (Вь В;) г предыдущих (В2, В3) операциях технологического процесса. Така; классификация выбросов позволила более наглядно и отчетливо представит! основные составляющие выбросов, что в определенной мере явилось гаранто.ч полного и обстоятельного рассмотрения источников выбросов для различны? технологий.

Диссипативная модель СЭЭА в форме ТЭЧ продукции предназначена дш оценки основных факторов, которые определяют объемы вредных выбросов связанных с использованием топлива и энергии. При этом вся цепочк; технологического процесса была разделена на отдельные звенья. В каждол последовательном звене технологического никла рассмотрены первичные производные, скрытые, и полезно-используемые вредные выбросы, связанны с использованием топлива и энергии. Такое расщепление технологическо! цепочки на п технологических операций позволило выразить величину ТЭ1 через значения первичных выбросов за вычетом полезно-используемы: выбросов

В,-В4 = Я1 (5)

для соответствующих операций с учетом расходных коэффициентов ф.

Для технологической цепочки, включающей п операций (конечная »-я операция условно не содержит производных и скрытых вредных выбросов), величина

р

г »' /

г

Здесь индекс 2 применен для вторичных выбросов, 3 - для скрытых; ¿: -индекс компонента (звена) на каждой операции; а, ..., /? ..., у и к, ..., I, ..., р -число компонентов (звеньев) на 2,/, .., п операции соответственно для производных и скрытых выбросов.

В этом представлении счет звеньев происходит от 1 до п в порядке последовательного расщепления технологической цепочки на операций, в каждой имеется определенное количество параллельно включенных цепочек, соответствующих числу компонентов, являющихся источниками вредных выбросов (рис.1).

Величина ТЭЧ в обобщенном виде представлена следующим образом:

¡=2гг=1

где - обобщенный расходный коэффициент для вредных выбросов,

определяемый как произведение элементарных коэффициентов (р . составляющих последовательную цепочку при изменении / от 1 до и:

Величины т,с представляют собой удельные приведенные массы условных вредных выбросов для / передела и е компоненты.

В энергетике, металлургии большое самостоятельное значение имеет зорьба с вредными выбросами в атмосферу от продуктов сгорания. Применительно к этому случаю фактическая удельная масса вредных выбросов ? атмосферу для к-го загрязнителя,'связанного с использованием топлива и »нергии от продуктов сгорания, представлена следующим образом:

Дд 7Т

■де Ад - удельная величина полезной энергии, необходимой для протекания фопесса, кДж/кг; /;т - тепловой КПД процесса; Г„ - объем продуктов сгорания г'/кг топлива; цгп - концентрация вредных выбросов в продуктах сгорания, 1г/м3.

Таким образом, формула (9) демонстрирует основные факторы, |пределя!ощие выброс вредных веществ в атмосферу при функционировании

I (9)

е

Рис.1. Блок-схема расщепления технологической цепочки на операции и компоненты при определении ТЭЧ (на примере получения металлопродукции): ine- индексы соответственно технологической операции и компоненты: п - число операций; р - число компонент:

э- электроэнергия, м - металл, к - кислород, дн - нагрев дутья, дс - компресс дутья, т - теплоэнергия, а - агломерат, о - окатыши, р - руда, кс - кокс, и - известь, у - уголь.

энерготехнологических агрегатов. Кроме концентрации вредных выбросов, такими факторами являются тепловой КПД процесса, удельная величина полезной энергии, коэффициент агрессивности к-го загрязнителя и характеристики вида топлива.

В связи с принятым единообразием нелнчин ТТЧ и ТЭЧ для проведения комплексного СЭЭА, введено понятие технологического толивио-жопогического числа (ТТЭЧ), равного сумме ТТЧ и ТЭЧ, являющегося итоговой оценкой энерго-экологических затрат для производства продукции.

На основе формулы (6) разработана диссипативная модель ТЭЧ в форме древовидного сигнального графа. Коэффициент т„ для /-го передела (звена) представлен суммой составляющих или компонентов

тп1 = + . 0°)

где т и - параметр, характеризующий первичные вредные выбросы, которые существуют на ¡-м переделе; т ч - сторонняя у я составляющая (компонент) коэффициента ш „¡; N; - количество сторонних составляющих на ¡-м переделе. Под сторонней составляющей подразумевается любая компонента вредных выбросов, которая пересчитывается из других переделов на вредные выбросы 1-го передела, в том числе все производные, скрытые и полезно-используемые. Пересчет выполняется с помощью расходных коэффициентов ф ^

Каждому компоненту коэффициента т„; в сигнальном графе поставлена в соответствие одна вершина, которые образуют лодмножество вершин ¡-го передела. Вершина, соответствующая каждой сторонней компоненте, обозначается двумя индексами: ее порядковым номером ] в подмножестве вершин соответствующего передела и номером 1 передела. Расходному коэффициенту поставлена в соответствие дуга, идущая из г-й вершины к-го передела в ]-ю вершину ¡-го передела. Они обозначены двумя парами индексов, где индекс к равен номеру передела, от которого переходит часть вредных выбросов ¡-у переделу. Индексы ] и г соответствуют порядковым номерам компонентов, составляющих коэффициенты т; и тк . При переходе от формулы к диаграмме графа был введен ряд обозначений с целью достижения однородного представления графа.

Умножение (10) на коэффициент Кв дает

ТЭ^ = ТЭЧЫ + ЕТЭЧ|Ь (11)

где ТЭЧ; - результирующее ТЭЧ ¡-го передела; ТЭЧи - первичное ТЭЧ ¡-го передела; ТЭЧ^ - стороннее ТЭЧ ¡-го передела. Исключение коэффициентов Кв, ти и гпгк приводит к ТЭЧ-графу. в котором все вершины соответствуют различным типам ТЭЧ. Вершины ТЭЧ-графа разделяются на три типа: вершины-источники или входные вершины, обозначенные индексами, содержащими букву Ь; выходная вершина, которая соответствует результирующему ТЭЧ (передела, технологической цепочки, отрасли, всего

!

производства страны и т.п.); внутренние мершины, которые имеют входящие и исходящие дуги. Число выходных вершин может увеличиться, если поставить задачу по расчету ТЭЧ; для каждого передела.

Из древовидного сигнального графа значение результирующего ТЭЧ определяется значениями первичных ТЭЧ; ; как сумма произведений этих значений на сквозные передачи, которые являются путями из соответствующей входной вершины в выходную. Передачу пути из вершины с индексами 1_л в выходную вершину обозначена переменной Ч'о;, которая равна произведению п дуг, образующих этот путь

Ч^Пф*- (12)

п

Определение сквозных передач эквивалентно исключению всех внутренних вершин графа. Полученный при этой операции упрощенный граф позволяет наглядно увидеть все первичные составляющие вредных выбросов. Объединяя несколько подобных графов, построенных для различных производств, можно найти ТЭЧ-граф отрасли, производства всей страны и т.д.

От ТЭЧ-графа можно перейти к другим графам, вершины которых связаны пропорциональной зависимостью с ТЭЧ. Диссипативная модель ТЭЧ в форме сигнального графа обладает наглядностью и позволяет найти новые модели для анализа потерь от вредных выбросов путем преобразования ТЭЧ-графа. ТЭЧ-граф упрощает алгоритмизацию вычисления результирующего ТЭЧ.

С целью уточнения стоимостных факторов определения ТЭЧ в моделях СЭЭА, разработан алгоритм укрупненного анализа экономического ущерба от загрязнений окружающей среды с учетом оценки риска. При этом отношение экономических ущербов от вредных веществ по методике оценки риска и рекомендациям Госкомэкологии по ставке штрафов за сверхлимитные условные выбросы характеризует величину коррекции коэффициента Кв при определении ТЭЧ продукции для конкретных предприятий с учетом предыдущих стадий производства.

С учетом выявленных иерархических, структурных, диссипагивных связей, предусмотренных в моделях СЭЭА, и специфики предметной области разработан алгоритм СЭЭА технологических процессов (рис.2). Алгоритм содержит 7 основных блоков: блок обобщенной базы данных (ОБД), блок базы данных (БД), блок базы знаний (БЗ), блок редактирования (Р), блок вычисления (В), блок базы данных результатов (БДР), блок анализа результатов (АР).

БЗ включает в себя модели анализа: структурированную (С) и диссипативную (О). В структурированной модели осуществляется дифференциация энергоносителей, которые и являются источниками выбросов. В диссипативной модели осуществляется расщепление технологической цепочки производства на звенья (¡) и компоненты (е), указываются связи между компонентами для смежных звеньев технологической цепочки (з1С).

Рис.2. Алгоритм сквозного энерго-экологического ишкпт технологических процессов » производств

ОВД содержит библиотеку справочной информации, включающую БД энергоносителей (Э), БД вредных выбросов (ВВК) и коэффициентов агрессивности вредных выбросов (Ак), БД формирования коэффициентов компенсации экономического ущерба от загрязнения окружающей среды (Кв), БД накапливаемой информации: ТТЧ отдельных энергоносителей (ТТЧ;), итоговые удельные приведенные массы выбросов отдельных энергоносителей (птга), ТЭЧ отдельных энергоносителей (ТЭЧ[). БД исходной информации (БДИИ) включает в себя оперативную (ОИ) и статистическую информации (СтИ), необходимые для расчета ТТЧ и ТЭЧ, сервисную информацию (СИ) для пользователя. БД формируется в зависимости от БЗ, ОБД и БДИИ. После вычисления по соответствующей модели формируется БДР: ТТЧ, ТЭЧ, ТТ'ЭЧ процесса или производства. БДР дополняет или уточняет ОБД. Далее производится анализ результатов, при этом определяются максимальные составляющие энергоносителей по энергозатратам, связанных с производством и компенсацией экономического ущерба от загрязнения, соотношения по выбросам вредных веществ с учетом коэффициентов агрессивности, процент отношения ТЭЧ к ТТЧ для процесса или производства.

Для практического использования разработанных алгоритмов и моделей энерго-экологического анализа технологических процессов программное обеспечение было реализовано на языке высокого уровня FoxPro и предназначено для использования в качестве элемента экспертной системы в технологическом бюро и экологическом отделе металлургических предприятий.

Для проведения сравнительного анализа энергозатрат различных процессов, а также для опробования и адаптации алгоритма и программных средств, были сформированы базовые варианты расчета: ТТЧ чугуна (для структурированной модели) и ТТЧ стальных металлоизделий (для диссипативной модели).

З.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ Разработанные модели и алгоритмы СЭЭА были применены для сравнения энергозатрат традиционных (получение чугуна в доменной печи) и новых металлургических технологий (ПЖВ-утилизатор, газификатор ПЖВ, доменная печь с применением ГВГ, процесс Корекс), и производств (получение стали традиционным способом и с использованием бескоксового процесса Мидрекс).

СЭЭА проведен для выбросов в атмосферу при производстве доменного чугуна с учетом пылеулавливания по литературным данным. Основными выбросами в атмосферу в металлургических процессах (>90%) является пыль (твердые частицы), оксид углерода, диоксид серы, оксиды азота, которые являются и основными элементами при отчетной документации об охране атмосферы на любом металлургическом предприятии. Для коксохимического

производства Рыл проведен дополнительный анализ. Итоговая удельная приведенная масса вредных выбросов в атмосфер}' с учетом коэффициентов агрессивности при производстве доменного чугуна с учетом пылеулавливания составила 1281 кгу.выбр./т ирод.

Проведенный анализ сквозного количества вредных выбросов показал, что выброс первого передела (производство кокса, агломерата, окатышей) составляет 43%. По загрязняющим веществам с учетом коэффициентов агрессивности 21% от общей массы выбросов составляет пыль (относительная доля аглолроизводства составляет 57%), СО - 57% (сгорание топлива в доменной печи составляет 95%), Б02 - 17% (в т.ч. аглопроизводство 50%), КОх - 5% (относительная доля производства агломерата - 50%).

Для принятой величины К„ = 0,15 кг у.т./кг у. выбр., величина ТЭЧ чугуна доменн'ой плавки с учетом пылеулавливания составила 196 кг у.т./т прод. •

Таким образом, для компенсации экономического ущерба от выбрасываемых вредных выбросов в атмосферу, связанных с использованием топлива, требуется условного топлива на тонну продукции 18% от сквозных энергозатрат. Суммарные энерго-экологические затраты - ТТЭЧ - составили 1279 кг у.т./т прод. Основные результаты исследований представлены в таблице.

Аналогично комплексный СЭЭА проведен для новых металлургических технологий. Отметим основные особенности анализа и результатов.

СЭЭА бескоксового агрегата ПЖВ (процесс жидкофазного восстановления) показал, что с увеличением степени дожигания газов (55, 71 и 93%), ТТЧ чугуна уменьшается, в связи с меньшим затратами угля, кислорода, сырья: 1278, 917 и 770 кг у.т./т чугуна. В связи с исключением производства агломерата, кокса и уменьшением выбросов при сгорании топлива в самом агрегате за счет дожигания газов, ТЭЧ чугуна для ПЖВ на шламах/концентрате составило 20/17,5 кг у.т./т чугуна, что соответствует 2% от энергозатрат при работе ПЖВ со степенью дожигания газов 93%. Таким образом сквозные энергозатраты для производства чугуна в ПЖВ составили 790 кг.у.т./т, что на 38% меньше по сравнению с базовым вариантом.

СЭЭА второго режима работы агрегата ПЖВ в качестве газификатора с получением горячих восстановительных газов (ГВГ) с последующим использованием их в металлургических или топочных процессах был проведен ю экспериментальным данным при различных марках угля (ГСШ, ТОМСШ, \Р), степени содержания кислорода в дутье (50%, 75%, 99,5%), при отсутствии 1ли наличии охладителя (шлам, пар). Анализ показал, что при увеличении удержания кислорода в дутье, введении охладителя энергозатраты /величиватотся. В зависимости от марки угля введение конкретного охладителя шлама или пара) приводит к различным результатам, в связи с удельным ¡ыходом побочного продукта - чугуна.. ТТЧ ГВГ составило 531 - 750 кг '.т./1000м3. В опытном режиме работы ПЖВ вследствие сравнительной ^продолжительности периода работы газификатора, вероятно, трудно было

'! аблпцл

Сравнительные результаты сквозного эмерго-экологического анализа металлургических процессов и производств

Процесс ТТЧ. ТЭЧ, % ТТЭЧ, %к

или производство кг у.т./г кг у.т./т ТЭЧ кг у.т./т базо-

продук- продук- от продук- вому

ции ции ТТЧ ции варианту

Чугун доменной плавки 1083.2 196 18 1279 100%

(базовый вариант)

Чугун в агрегате ПЖВ 770 20,2 2 790 62%

Чугун в доменной печи с применением ГВГ 1012 207 20 1219 95%

Губчатое железо в печи Корекс 1148 25,2 2 1172 92%

Сталь, традиционная схема с полным 882 197 22 1079 100%

циклом (базовый вариант)

Электросталь на основе 1197 77 7 1217 113%

металлизованных окатышей (процесс

«Мидрекс»)

Электропечной феррованадий (РеУ 3338% V) (базовый вариант) 157315 10536 7 167651 100%

Доменный феррованадий (РеУ 33-38% 68881 4717 7 73598 44%

V), с плазменным подогревом дутья

Доменный феррованадий (РеУ 33-38% 63542 4352 7 67894 40%

V), с плазменным подогревом ГВГ

Легированная ванадием электросталь 927 95,6 10,3 1023 100%

из РеУ, выплавленного в электропечи

(базовый вариант)

Легированная ванадием электросталь 688 80 11,6 76в 75%

из РеУ, выплавленного в доменной

печи с плазменным подогревом дутья

Легированная ванадием электросталь 674 79 11,7 753 74%

из РеУ, выплавленного в доменной

печи с плазменным подогревом ГВГ

Легированная ванадием электросталь 946 41,4 4,4 987 96%

на ванадийсодержащих

металлизованных окатышах.,

получаемых в шахтной печи с паровой

конверсией

Легированная ванадием электросталь 676 52 7,7 728 71%

на ванадиисодержащих

металлизованных окатышах, с

применением в качестве чугуна

полупродукта, получаемого в ПЖВ

1о

ожидать получение показателей, полностью соответствующих стабильному оптимальному режиму газификации. Для условий АО ЧусМЗ был рассмотрен оптимальный режим работы газификатора ПЖВ. 'ГТЧ ГВГ составило 410 кг у.т./ 1000м3. ТЭЧ ГВГ составило 166 кг у.т./ 1000м3, т.е. 40% от энергозатрат на производство ГВГ.

При использовании ГВГ в доменных печах удельный расход ГВГ составил 850 м3/т чугуна, коэффициент замены кокса - 0,3, что соответствует снижению удельного расхода кокса до 0,405 т/т чугуна. В результате ТТЧ чугуна с использованием ГВГ составил 1012 кг у.т./т чугуна. ГВГ из газификатора ПЖВ сразу поступают в доменную печь, поэтому образующиеся выбросы пыли должны улавливаться после доменного производства. ТЭЧ составило 207 кг у.т./т чугуна, т.е. 20,5% от TT1! чугуна с использованием ГВГ. Суммарные энерго-экологические затраты (ТТЭЧ) составили 1219 кг у .т., что на 5% ниже по сравнению с традиционной схемой, в следствии улучшения экологичностн производства в связи с уменьшением удельного расхода кокса.

ТТЧ губчатого железа для процесса Корекс составило 1147,5 кг.у.т./т губчатого железа, что на 6% больше, чем ТТЧ чугуна доменной плавки. ТЭЧ губчатого железа составило 25 кг у.т./т, т.е. 2% от общих энергозатрат. Суммарные энерго-экологические затраты составили 1172 кг у.т./т, что на 8% ниже по сравнению с доменным производством, в связи с малыми энергозатратами, требуемыми для погашения экономического ущерба от вредных выбросов, результате исключения производства агломерата и кокса.

С целью оценки энерго-экологического состояния бескоксовых процессов, с помощью диссипативной модели СЭЭА производства в целом проведено сравнение энергозатрат производства металлопродукции при традиционном полном металлургическом цикле и бескоксовом производстве стали на металлизованных окатышах (процесс Мидрекс).

Технологический процесс производства стальных металлоизделий был разделен на п=6 технологических операций (рис.1): 1 - механообработка на станках, 2 - прокат, 3 - сталеплавильный процесс, 4 - получение чугуна в доменной печи, 5 - получение ресурсов (энергетических и материальных) для доменной плавки, 6 - получение энергоресурсов и сырья шихтовых материалов. Для данной схемы стального прокатного листа итоговая удельная приведенная масса вредных выбросов с учетом пылеулавливания составила 1564 кг у.выбр./т прод. Итоговая величина ТЭЧ с учетом затрат на пылеулавливание -•оставила 241 кг у.т./т проката, для производства стали - 197 кг v.t./'t стали.

Таким образом, ' для компенсации- экономического ущерба от юразующихся вредных выбросов в атмосферу, связанных с использованием топлива, требуется условного топлива на тонну продукции в размере 22% о г жвозных энергозатрат для производства проката и стали. Суммарные энерго-жологические затраты составили 1341 кг у.т./т проката, 1079 кг у.т./т стали.

Технологический процесс бескоксового способа прямого получения келсза при использовании природного газа (процесс Мидрекс) и производства

электростали на основе металлизованных окатышей был разделен па »=4 основных технологических операций: 1 - производство электростали, 2 -металллизация окатышей, 3 - получение окисленных окатышей, 4 - обогащение руды. При стабильном производстве ТТЧ составило 1140 кг у.т./т стали, что на 30% больше, чем при традиционной схеме производства стали.

Итоговая удельная приведенная масса вредных выбросов для процесса Мидрекс составила 572 кг у.выбр./т прод. ТЭЧ составило 77 кг у.т./т прод., что соответствует 7% энергозатрат от ТТЧ электростали на основе металлизованных окатышей по проекту. Суммарные энерго-экологическис затраты составили 1217 кг у.т./т стали.

Таким образом, включение экологической составляющей, учитывающей компенсацию экономического ущерба от загрязнения окружающей среды и оценку риска для населения от данного воздействия в СЭЭА приводит к увеличению суммарных энергозатрат, причем для производства стали при традиционном полном металлургическом цикле величина ТЭЧ составляет 22% от значения ТТЧ. Значительное превышение сквозных энергозатрат при бескоксовом производстве стали по сравнению с традиционном способом (на 30% за счет значительного расхода природного газа при металлизации окатышей и электроэнергии при производстве электростали), приводит к тому, что суммарные энерго-экологические затраты бескоксового производства стали на 13% выше по сравнению с, традиционным производством, даже при незначительных ТЭЧ бескоксового производства (6% от ТТЧ).

С целью уточнения стоимостных факторов определения ТЭЧ по разработанному алгоритму укрупненного анализа экономического ущерба от загрязнений окружающей среды с учетом оценки риска для здоровья населения был рассмотрен пример корректировки коэффициента Кв при анализе конкретного предприятия АО ВИЗ, расположенного в черте г. Екатеринбурга. Расчеты показали, что величина К, должна быть увеличена для производства стали в 3,15 раза, электроэнергии - в 13,4 раза, что приводит к увеличению ТЭЧ продукции на данном переделе и изменению общего соотношения ТЭЧ к ТТЧ. 4.ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕГИРОВАННОЙ ВАНАДИЕМ СТАЛИ И РАЗРАБОТКЕ БЕСКОКСОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ

Разработанные модели и алгоритмы СЭЭА были применены для сравнения энергозатрат производства легированной ванадием стали традиционным способом с использованием феррованадия, ванадийсодержащих металлизованных окатышей, получаемых в шахтной печи с паровой конверсией (опытное производство), а также способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали (новая разработка с заявкой на изобретение).

Применительно к условиям ЧусМЗ были проанализированы достаточно сложные альтернативные варианты многостадийного процесса производства феррованадия. СЭЭА был проведен для двух возможных схем производства феррованадия. Первая схема включает в себя традиционную цепочку: производство ванадиевого чугуна, получение конвертерного ванадиевого шлака (КВШ) из ванадиевого чугуна в дуплекс-цехе, получение технической иятиокиси ванадия (\/205~) в хнмпеределе и выплавку 33-38% феррованадия (РеУ) в электропечах. Во второй схеме сохранены производство ванадиевого чугуна и получение КВШ, исключены два передела - химический передел и выплавка РеУ с содержанием 33-38% ванадия в электропечах, которые заменены на выплавку РеУ в доменной печи с применением плазменного подогрева.

Высокое значение ТТЧ КВШ (163674 кг у.т./т) получено в результате низкого выхода его после передела ванадиевого чугуна в дуплекс-цехе (77 кг/т полупродукта). Отсюда столь значительные величины ТТЧ в последующих переделах, где используется КВШ и продукты его переработки. В связи с этим энергоемкость процесса производства РеУ по первой схеме достаточно высока т основном за счет очень высокой энергоемкости получения УзО.«; в чимгтеределе. В целом, ТТЧ РеУ по этой цепочке составило - 157315 кг у.т./т.

При втором варианте получения БеУ за счет исключения энергоемкой ;тадии химпередела энергоемкость процесса снижена в 2,3 раза.

При второй схеме дополнительно был рассмотрен перспективный вариант юпользования в доменной печи ГВГ, получаемых в газификаторе ПЖВ. 1рнменение ГВГ снижает ТТЧ РеУ на 8% по сравнению с предыдущей схемой 1 составляет 63542 кг у.т./т.

Для производства легированной ванадием стали требуется очень ^большое количество РеУ (27 кг/т стати), однако различная величина ТТЧ 'еУ при разных схемах производства оказывает влияние на " сквозные нергозатраты легированной ванадием стали. ТТЧ легированной ванадием тали из РеУ, выплавленного в доменной печи с применением ГВГ, составило 74 кг у.т./т., что на 27% ниже по сравнению с ТТЧ легированной ванадием тали из РеУ, выплавленного в электропечи (ТТЧ=927,3 кг у.т./т стали).

По данным выбросов в атмосферу АО ЧусМЗ был проведен анализ и асчет ТЭЧ для производства легированной ванадием стали. Итоговая удельная риведенная масса вредных выбросов в атмосферу с учетом-пылеочистки оставила 633, 526 и 520 кг у.выбр./т прод. для легированной ванадием стали с спользованием электропечного РеУ, доменного РеУ и доменного РеУ с рименением ГВГ, соответственно. Проведенный СЭЭА показал, что аибольший вклад составляют выбросы электропечи (50-60%) и тектроэнергии (15-20%), в связи с тем, что для производства легированной шадием стали требуется незначительное количество РеУ. Величина ТЭЧ згироваиной ванадием стали с использованием электропечного, доменного г У без и с применением ГВГ составила 96, 80 и 79 кг у.т./т прод..

соответственно.

Таким образом, для компенсации экономического ущерба от вредных выбросов в атмосферу, связанных с использованием топлива, требуется условного топлива на тонну продукции 10,3, 11,6 и 11,7% от сквозных энергозатрат, соответственно для рассмотренных схем. ТТЭЧ составило 1023, 768 и 753 кг у.т./т прод., о чем свидетельствует снижение энерго-экологических затрат для перспективных направлений на 25-26%, в связи с сокращением количества переделов при производстве Ре\7.

Для опытной бескоксовой схемы производства ванадиевой стали на металлизованных ванадиевых окатышах, получаемых в шахтной печи с паровой конверсией природного газа, в связи с большим расходом природного газа наблюдается увеличение энергоемкости. ТТЧ легированной ванадием составило 946 кг у.т./т стали, что на 2% выше по сравнению с ТТЧ традиционной схемы производства легированной ванадием стали из Ре\;, выплавленного в электропечи, за счет энергоемкого процесса металлизации в шахтной печи с паровой конверсией (ТТЧ металлизованных окатышей составило 1574 кг у.т./т). Однако в связи с уменьшением количества переделов при данной схеме снижаются потери ванадия (минимум на 28%), исключение коксо-химического производства, химико-металлургического передела КВШ несомненно привело к уменьшению вредных выбросов. Итоговая удельная приведенная масса вредных выбросов в атмосферу для производства легированной ванадием стали составила 274 кг у.выбр./т прод. Величина ТЭЧ легированной ванадием стали с использованием металлизованных окатышей составила 41,4 кг у.т./т прод., что соответствует 4% от сквозных энергозатрат. Суммарные энерго-экологические затраты составили 987 кг у.т./т прод. Таким образом, незначительные энергозатраты, связанные с компенсацией экономического ущерба от загрязнения окружающей среды, уменьшают суммарные энерго-экологические затраты на 3,5% по сравнению с традиционной схемой производства легированной стали с применением РеУ.

С целью удешевления процесса получения легированной ванадием стали и увеличения концентрации ванадия в стали при том же относительном расходе ванадийсодержащих материалов, а также снижения энергозатрат предыдущей схемы был предложен и проанализирован новый способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали (процесс ЛП).

Указанная цель достигается тем, что ванадийсодержащие окатыши проходят восстановительную стадию металлизации в шахтной печи, причем в качестве восстановителя используются ГВГ, получаемые при газификации углеродсодержащих материалов. Газификатор работает в смешанном режиме и при загрузке в качестве рудной части ванадийсодержащих окатыше!) обеспечивает получение полупродукта и шлака. Металлизированные ванадийсодержащие окатыши, ванадийсодержащий полупродукт и шлак

используются в качестве шихты дуговых электропечей с получением и а и ад и и с оде р жа ще и ста л и.

ТТЧ полупродукта, подаваемого в электропечь составляет в среднем 420 кг у.т./т. ТТЧ металлизованных ванадийсодержащих окатышей, получаемых в шахтной печи с применением ГВГ, составляет 915 кг у.т./т. ТТЧ электростали на металлизованных окатышах, с применением в качестве чугуна полупродукта, получаемого в ПЖВ, составило 676 кг у.г./т стали. Полученный результат свидетельствует о снижении энергозатрат на 29% по сравнению с бескоксовон опытной схемой металлизации окатышей с использованием паровой конверсии (за счет замены природного газа для конверсии на ГВГ, получаемый газификацией дешевого угля) и на 27% по сравнению с действующей схемой производства легированной ванадиевой стали на FeV, выплавленного в электропечи, за счет сокращения количества переделов при производстве феррованадия, замены доменного производства бескоксовым способом металлизации окатышей, а также замены природного газа на ГВГ.

ТЭЧ легированной ванадием стали с использованием металлйзованных окатышей составило 52 кг у.т./т прод., что соответствует 7,7% от сквозных энергозатрат, за счет большого расхода электроэнергии в электропечи. Суммарные энерго-экологические затраты составили 728 кг у.т./т прод., что на 29% ниже по сравнению с традиционной схемой производства легированной стали с применением FeV.

Таким образом, СЭЭА показал, что вновь разработанный способ бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали является наиболее энергосберегающим и экологичным по сравнению с традиционным способом и другими перспективными схемами.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны модели СЭЭА технологических процессов в структурированном и диссипативном виде. Модели построены с учетом компенсации экономического ущерба от вредных выбросов и затрат энергии в единицах условного топлива.

2. Разработан новый показатель ТЭЧ, характеризующий количество кг у. т., требуемого для погашения стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции.

3. С целью уточнения стоимостных факторов определения ТЭЧ в моделях СЭЭА, разработан алгоритм укрупненного анализа экономического ущерба от загрязнений окружающей среды с учетом оценки риска. При этом производится коррекция коэффициента, характеризующего степень компенсации экологического ущерба в кг ул., при определении ТЭЧ продукции для конкретных предприятий с учетом предыдущих стадий производства.

4. Разработан алгоритм и программное обеспечение для расчета и комплексного СЭЭА технологических процессов в форме ТТЧ и ТЭЧ. Программное обеспечение СЭЭА технологических процессов в форме ТТЧ п ТЭЧ используется как элемент экспертной системы в АСУ доменного цеха АО ЧусМЗ.

5. Проведен СЭЭА традиционного процесса (получение чугуна в доменной печи) и новых бескоксовых и малококсовых технологий (ПЖВ-утилизатора газификатора ПЖВ, доменной печи с применением ГВГ, процесса Корекс) Суммарные энерго-экологические затраты, требуемые для погашенш стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единиц) выпускаемой продукции, для новых бескоксовых и малококсовы> технологий снижены по сравнению с доменным производством, в связи с исключением производства кокса, агломерата, а также уменьшения выбросог при сгорании топлива в агрегате ПЖВ за счет дожигания топлива.

6. Выполнен сквозной энерго-экологический анализ для пол ноге традиционного металлургического цикла. Энергетические затраты ш компенсацию экологического ущерба составляют 22% при использованш пылеочистки.

7. Выполнен СЭЭА для схемы прямого получения железа при металлизацш окатышей по процессу Мидрекс. Значительное превышение сквозны; энергозатрат при бескоксовом производстве стали по сравнению I традиционным способом (на 30% за счет значительного расхода природной газа при металлизации окатышей и электроэнергии при производств! электростали), приводит к тому, что суммарные энерго-экологически' затраты бескоксового производства стали на 13% выше по сравнению < традиционным производством, даже при незначительных ТЭЧ бескоксовогт производства (6% от ТТЧ).

8. Для условий Чусовского металлургического завода выполнен СЭЭА, частности производства ванадиевого чугуна, получения КВШ из ванадиевоп чугуна в дуплекс-цехе, получения У205 в химпеределе и выплавки 33-38°/ РеУ в электропечах. Проанализированы энерго-экологические затрат! перспективных вариантов производства РеУ, при иснользовани низкотемпературной плазмы и ГВГ. Многостадийный и многокомпонентны процесс производства РеУ традиционным способом в электропечи требуе значительных энерго-экологических затрат, при этом энергозатрать связанные с компенсацией экономического ущерба составили 7%. А нал и перспективных технологий производства феррованадия в доменной печи применением плазменного подогрева дугья и ГВГ показал что энергс экологические затраты снижены в 2,3 и 2,5 раза за счет сокращени количества переделов.

9. Предложена новая бескоксовая схема производства лег ированной стал бескоксовым методом, включающая газификатор ПЖВ, шахтную пен металлизации окатышей и электропечь. Этот способ проинюдстг

легированной ванадием стали позволит псиг/льзьвать не только окшыши, по и рудные материалы, а также любые угли, в том числе углеродеодержащие отходы. Проведенный СЭЭЛ показывал, что по данной схеме энергоэкологические затраты снижены на 29% по сравнению с действующей схемой производства легированной ванадиевой спали с использованием FeV, выплавленного в электропечи, за счет сокращения количества переделов при производстве феррованадия, замены доменного производства бескоксовым способом металлизации окатышей, а также замены природного газа для конверсии на ГВГ, получаемый газификацией дешевого угля. По данной технологии подана заявка на изобретение. 0. Программная реализация разработанных моделей комплексного СЭЭА также включена в единый комплекс разрабатываемой экспертной системы металлургических производств (КОМЭС) с целью создания экологически чистого производства, снижения энергозатрат и выбросов в атмосферу при получении легированных сталей.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

. Компьютерный расчет ТТЧ и его использование на примерах производства ванадийсодержащих сплавов / Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г., Пареньков А.Е., Скуридин Ф.Л. // Известия вузов. Черная металлургия. 1998. №7. С.69-72.

Working of Special Pig-iron and Aloys Smelting with Use of Low-Tempereture A Plasma / Lisienko V.G., Ukolov V.M., Parenkov A.E., Druszinina O.G. at al./7 Collection of Materials of international Seminar: «Modeling, Advanced Process Technology, Expert and Control Systems of Heat and Mass Transfer Phenomena)» Ekaterinburg, 1996. pp.91-92.

Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г. Программный модуль для расчета и анализа сквозных энергозатрат на производство продукции в форме ТТЧ /7 Состояние и перспективы развития эффективного использования энергии в Пермской области: Тезисы докладов региональной научно-практической конференции. Пермь, 1997. С.85-86.

Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г. Программный модуль для расчета и анализа сквозных энергозатрат на производство продукции в форме ТТЧ // Информационные технологии, системы управления и электроника: Тезисы докладов всероссийской научно-технической конференции;' Под ред. В.В.Кийко. Екатеринбург: УГТУ, 1997. С.40-41.

Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г. Особенности энергетического и энсрго-жологического анализа // Подготовка кадров и экологические проблемы энергетики: Тезисы докладов юбилейной научно-технической конференции, посвященной 65-летию кафедры ТЭС. Екатеринбург: УГТУ, 1997. С.38-39. Нисиенко В.Г., Дружинина О.Г. Программное обеспечение для сквозного тергоанализа энерготехиологических процессов как элемент экспертной

системы //Подготовка кадров и экологические проблемы энергетики. Тезис-докладов юбилейной научно-технической конференции, посвященная 6: легию кафедры ТЭС. Екатеринбург: УГТУ, 1997. С.76-77.

7. Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г., Эрдэнэчимэг Ц. Программное обеспечен! для сквозного энергоанализа энерготехнологических процессов Информационные технологии и электроника: Тезисы докладов второ всероссийской научно-технической конференции. Екатеринбург: УЛЛ. 1998. С.82. (http://wwvv.uicde.ru/coni).

8. Лисиенко В.Г., Дружинина О.Г. Сравнительный анализ энергоемкост продукции в форме ТТЧ // Информационные технологии и электроник; Тезисы докладов второй всероссийской научно-технической конференцш Екатеринбург: УГТУ, 1998. С.82-83. (http://www.uicde.ru/conf).

9. Энергоэкологические функции металлургических агрегатов с жидко шлаковой ванной / Пареньков А.Е., Юсфин Ю.С., Лисиенко В.Г., Дружишп О.Г. и др. // Научные школы УПИ-УГТУ №2. С творческим наследие Б.И.Китаева - в XXI век: Сборник материалов международной конференцш Екатеринбург: УГТУ, 1998. С. 151-157.

Подписано в печать 20.11.98.

Бумага типографская Плоская печать

Уч.-из.л. 1,33_Тираж 100_Заказ 133

Формат 60x84 1 /8 Усл.п.л. 1.39 Бесплатно

Размножено с готового оригинал-макета в типографии УрО РАН. 620219, Екатеринбург, ГСП-169, ул. С. Ковалевской, 18.

• 1.

I ¥ ( ' **<"•■•

V/ / V»'

УРАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

/)>'/ \ С/с/—- / ~ /

На правах рукописи УДК 519.6-7: 504.062: 669.013.6.004.16

ДРУЖИНИНА Ольга Геннадиевна

РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ОЦЕНКА ЭНЕРГОЗАТРАТ НА ПРИМЕРЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ТЕХНОЛОГИЙ Специальность 05.13.16 - Применение вычислительной техники, математического моделирования и математических методов в научных исследованиях (по отраслям наук)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

Действительный член АИН РФ, Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор технических наук В.Г.ЛИСИЕНКО

Научный консультант:

доцент, кандидат технических наук

В.П.ГОЛУБЕВ

Екатеринбург 1998

АННОТАЦИЯ

Работа посвящена разработке алгоритмов и моделей сквозного энергоэкологического анализа (СЭЭА) технологических процессов для исследования и оценки энергозатрат на примере металлургических технологий.

Разработаны модели СЭЭА технологических процессов в структурированном и диссипативном виде, учитывающие компенсацию экономического ущерба от вредных выбросов и затраты энергии в единицах условного топлива.

Разработан новый показатель. - технологическое экологическое число (ТЭЧ), характеризующий количество килограмм условного топлива, требуемого для погашения стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции.

Разработан алгоритм и программное обеспечение для расчета и комплексного СЭЭА технологических процессов в форме ТТЧ и ТЭЧ.

Проведены исследования комплексной оценки энергозатрат и вредных выбросов различных традиционных и новых малококсовых и бескоксовых металлургических технологий, в том числе производства легированной ванадием стали.

Предложена новая бескоксовая схема производства легированной стали бескоксовым методом. Проведенный СЭЭА показал, что по данной схеме энерго-экологические затраты снижены на 29% по сравнению с действующей схемой производства легированной ванадиевой стали с использованием FeV. По данной технологии подана заявка на изобретение.

Диссертационная работа изложена на 158 страницах машинописного текста, иллюстрирована 16 рисунками и 28 таблицами, включает библиографический список литературы из 118 наименований работ отечественных и зарубежных авторов и 3 приложений.

Диссертация написана на русском языке.

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 6

1. МЕТОДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ 10

1.1. Энергетический анализ энерготехнологических процессов 10

1.2. Анализ экологической обстановки с целью выявления связи экономического ущерба от загрязнения окружающей среды с энергоемкостью энерготехнологических производств 17

1.3. Анализ влияния экологической обстановки на здоровье населения с использованием методики оценки риска 28

1.4. Постановка задач исследования 35

2. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 3 9

2.1. Разработка модели сквозного энерго-экологического анализа 39

2.1.1. Структурированная методика сквозного энерго-экологического анализа 39

2.1.2. Диссипативная методика сквозного энерго-экологического анализа 49

2.1.3. Диссипативная модель ТЭЧ в форме сигнального графа 54

2.2. Разработка алгоритма укрупненного анализа экономического ущерба от загрязнений окружающей среды с учетом оценки риска для здоровья населения 61

2.3. Разработка алгоритма энерго-экологического анализа технологических процессов, структура применяемых баз данных и рекомендации использования 66

2.4. Выводы 72

3. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ АЛГОРИТМОВ И МОДЕЛЕЙ

ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ И

РАЗРАБОТКЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ 74

3.1. Использование сквозного энерго-экологического и энергетического анализа для сравнения традиционных и новых металлургических технологий 74

3.1.1. Результаты сквозного энергетического анализа традиционного производства (получение чугуна в доменной печи) 74

3.1.2. Результаты сквозного энергоэкологического анализа новых бескоксовых технологий (ПЖВ-утилизатор, газификатор ПЖВ, доменная печь с применением ГВГ, процесс Корекс) 78

3.2. Использование сквозного энерго-экологического анализа производства металлопродукции при традиционном полном металлургическом цикле 98

3.3. Использование сквозного энергетического анализа бескоксового производства стали на металлизованных окатышах (процесс «Мидрекс») 102

3.4. Применение разработанного алгоритма укрупненного анализа экономического ущерба от загрязнений окружающей среды с целью уточнения стоимостных показателей ТЭЧ продукции 106

3.5. Выводы 109

4. ИСПОЛЬЗОВАНИЕ РАЗРАБОТАННЫХ МОДЕЛЕЙ И АЛГОРИТМОВ

ЭНЕРГО-ЭКОЛОГИЧЕСКОГО АНАЛИЗА ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ

ПРОИЗВОДСТВА ЛЕГИРОВАННОЙ ВАНАДИЕМ СТАЛИ И

РАЗРАБОТКЕ БЕСКОКСОВОЙ ТЕХНОЛОГИИ 111

4.1. Анализ производства легированной ванадием стали из феррованадия традиционными способами 111

4.2. Анализ производства легированной ванадием стали из ванадийсодер-жащих металлизованных окатышей, получаемых в шахтной печи

с паровой конверсией 121

4.3. Анализ способа бескоксовой переработки ванадийсодержащего рудного сырья с получением легированной ванадием стали 127

4.4. Программные средства энерго-экологического анализа в структуре «КомЭС» металлургических технологий 133

4.5. Выводы 135 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 138 ЛИТЕРАТУРА 143 ПРИЛОЖЕНИЯ 155

ВВЕДЕНИЕ

Научно-техническая революция и овладение дополнительными

V

источниками энергии привели к значительной энерговооруженности человеческого труда.

Добыча и потребление энергии в мире за последние годы имеет четкую тенденцию к снижению, которая хорошо прослеживается в топливно-энергетическом балансе мира. Так, в период с 1965-1990 гг. потребление возросло почти в двое - с 5,7 до 10,8 млрд. т у.т. Однако дальнейший рост резко замедляется и ожидается к 2000 г. увеличение всего до 14,5 млрд. т у.т. Если учесть, что в 1990 г. расходовалось на 1 человека в мире ~2,3 т у.т., и принять население земного шара в 2000 г. 6,3 млрд. человек, то удельный расход энергии вообще не изменится. Экономия ресурсов в нашей стране только на 1% на уровне 1988 г. составляла: угля - 7,7 млн. т, нефти - 6,2 млн. т, природного газа - 7,7 млрд. м3, электроэнергии - 17,0 млрд. кВтч.

Однако не только ограниченность ископаемых источников энергии и соответственно экономические соображения, но и экологические проблемы сделали энергосберегающую политику одним из главных факторов технического прогресса, поскольку экономия топлива и энергии приводит не только к уменьшению энергоемкости продукции, но и к уменьшению вредных выбросов в окружающую среду.

Более 12 тыс. крупных предприятий России, составляющих основу ее промышленности, используя практически все виды природных ресурсов и самые разнообразные технологии их переработки, оказывают негативное воздействие на состояние окружающей среды. Преобладающее воздействие на загрязнение окружающей среды оказывают предприятия энергетической, топливной и металлургической промышленности.

Черная металлургия занимает третье место по общему количеству выбросов в атмосферу от стационарных источников среди отраслей

промышленности, объем которых в 1993 г. составил 3,23 млн. тонн, (седьмая часть всех выбросов в России от промышленных стационарных источников).

Экологические вопросы могут решаться по-разному: это и мониторинг загрязнения окружающей среды, и штрафы предприятий за выбросы для компенсации экономического ущерба от загрязнения окружающей среды, и оценка риска для здоровья населения, и экологизация производства: экономное расходование сырья, комплексное использование природных ресурсов, создание новых технологических систем, обеспечивающих малоотходное и безотходное производство, замкнутые циклы водоворота, утилизацию отходов.

Однако становится все более ясным, что вопросы экологизации промышленности, в частности металлургии, надо решать комплексно в тесной связи с задачами энергосбережения, при этом детально анализируя особенности технологии, учитывая энергетические и материальные затраты на предыдущих стадиях производства, утилизацию отходов, производство побочной продукции.

Таким образом, развитие и применение новых перспективных энергосберегающих технологий, в частности в металлургии, невозможно без сквозного и комплексного анализа энергоемкости и экологичности производства в целом. В связи с ухудшением экологической обстановки на металлургических заводах возникает необходимость в развитии методик, отражающих сквозную оценку энергетических затрат, связанного анализа проблем энергосбережения в тесной связи с экологическими проблемами, создание комплексного энерго-экологичексого анализа технологических процессов.

В задачу настоящей работы входило разработка алгоритмов методов и моделей энерго-экологического анализа технологических процессов с целью оценки энергозатрат и экономического ущерба окружающей среде на примере металлургических технологий.

Данная проблема была поставлена и последовательно развивалась в работах уральской школы ученых в Уральском государственном техническом университете под руководством профессора В.Г.Лисиенко. Определенный задел в этой области имелся также в трудах ученных Московского государственного института стали сплавов, Уралэнергочермета, Института Машиноведения Уральского отделения АН РФ, Уральского филиала Центра подготовки и реализации проектов, Центра экологического обучения и информации. Благодаря тесной связи с этими организациями, а также с рядом металлургических заводов (АО Чусовской металлургический завод, АО Верх-Исетский металлургический завод и др.) удалось развить это направление, разработать, опробовать и внедрить алгоритмы и модели сквозного энергоэкологического анализа в форме технологических топливных и технологических экологических чисел.

Результаты теоретических исследований в области сквозного энергоэкологического анализа используются также в учебном процессе УГТУ-УПИ.

Таким образом, автор защищает математическую модель разработанного сквозного Энерго-экологического анализа (СЭЭА) на примере металлургических производств, с учетом энергозатрат и компенсации экономического ущерба от вредных выбросов в единицах условного топлива., введенный показатель технологических экологических чисел (ТЭЧ), характеризующий количество килограмм условного топлива, требуемого для погашения стоимости экологического ущерба от вредных выбросов на единицу выпускаемой продукции, результаты исследований оценки энергозатрат с помощью разработанной модели энерго-экологического анализа на примере различных металлургических технологий, в том числе вновь разработанных, а также созданные программные средства для реализации сквозного энергетического, экологического и комплексного энерго-экологического анализа.

Основное содержание диссертации отражено в 1 статье, 8 тезисах и заявке на изобретение.

Диссертационная работа выполнена на кафедре «Автоматика и управление в технических системах» Уральского государственного технического университета.

Автор выражает глубокую признательность и благодарность научному руководителю президенту РУО АИН РФ, действительному члену АИН РФ, Заслуженному деятелю науки и техники РФ, профессору, доктору технических наук В.Г.Лисиенко, и научному консультанту доценту, кандидату технических наук В.П.Голубеву, а также кандидату экономических наук Н.В.Хильченко, доценту, кандидату технических наук А.Е.Паренькову, доценту, кандидату технических наук Ю.Н.Чеснокову, доценту, кандидату технических наук В.А.Морозовой за консультации и ценную практическую помощь в реализации результатов работы.

I. МЕТОДЫ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО АНАЛИЗА И ОЦЕНКИ ЭКОНОМИЧЕСКОГО УЩЕРБА ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ В СОВРЕМЕННЫХ УСЛОВИЯХ

1.1. Энергетический анализ энерготехнологических процессов

Современное производство обобщенно характеризуется объемом производства металлов, мощностью действующих источников энергии и структурой потребления энергетических ресурсов. За 6000 лет человечество произвело около 16 млрд. т металлов, из них 11 млрд. т - за последние 40 лет. В настоящее время в человеческих руках оказались мощности, сопоставимые с силами природы: мощность потока солнечной энергии оценивается 10ь кВт, а действующих источников энергии, созданных человеком, - 109 кВт. За счет выделения тепловой энергии температура в больших городах на 3-4°С выше, чем в окружающем пространстве. Энергетика развивается все ускоряющимися темпами, и если производство энергии возрастет только в 100 раз, что достижимо в обозримом будущем, то при прочих равных условиях на Земле могут произойти необратимые изменения климата [1].

Согласно основным законам природопользования, совершенно ясно, что все природные ресурсы (и естественные условия) Земли конечны, и в то же время в рамках одной общественно-экономической формации, способа производства и одного типа технологий природные ресурсы делаются все менее доступными и требуют увеличения затрат труда и энергии на их извлечение, транспортировку, а также воспроизводство. Однако рост энергетических затрат не может продолжаться бесконечно [2].

Таким образом, проблема сохранения природной среды и рационального использования природных богатств нашей планеты в настоящее время приобрела большую актуальность. При этом основные задачи рационального

использования природных ресурсов в качестве сырья и источников энергии сводятся к следующему [3]:

1) полное комплексное извлечение из месторождений всех полезных ископаемых;

2) безотходное использование полезных ископаемых в производстве;

3) использование вторичных продуктов производства, т.е. рекуперация;

4) вторичное использование материалов после выхода изделия из употребления;

5) использование "бедных" месторождений;

6) поиск и освоение новых источников полезных ископаемых;

7) использование новых дефицитных веществ в качестве заменителей дефицитных материалов;

8) поиск новых источников энергетических ресурсов.

Научно-техническая революция и овладение массовыми источниками

энергии привели к значительной энерговооруженности человеческого труда во всех развитых странах. Однако ограниченность ископаемых источников энергии, экономические и экологическое соображения сделали энергосберегающую политику одним из главных факторов технического прогресса [4].

Энергосберегающим технологиям посвящено много работ [5-8]. Становится очевидным, что доля дополнительного расхода энергии в фактическом технологическом процессе вызвана организационно-техническими недостатками в его работе; отсутствием оптимизации технологического процесса; связана с наличием энергозатратных звеньев в технологической цепи; вызвана отступлениями от современной технологической схемы [9].

Таким образом, стратегия экономии энергии представляет собой следующую иерархическую систему с несколькими уровнями приоритета [9]:

1) внедрение безотходных технологий;

2) оптимизация технологического процесса;

3) регенерация тепла газов;

4) технологическая утилизация энергии;

5) утилизация тепла.

Непрерывно возрастающие издержки на добычу топлива и одновременный рост ^ энерговору женности всех отраслей производства предопределяют важность и актуальность проблемы экономии энергоресурсов, в частности, в черной металлургии, потребляющей свыше 15% производимой в стране энергии и расходующей ее в основном на первых этапах производства чугуна и стали. Именно здесь имеются наибольшие резервы снижения энергоемкости анализ уровня и структуры энергозатрат на получение стали и сырья, используемого для его производства, позволяет установить наиболее перспективные энергосберегающие технологии, пути снижения энергоемкости металлопродукции [10].

Однако в работах по энергосбережению нет единых методик сравнения полученных результатов с предыдущими, как по схемам технологической цепи, так и по методам - расчета суммарных энергозатрат процесса. Сравнения по схемам технологической цепи, как правило ведутся по различным методикам, предложенных авторами работ [11-14]. Очевидно в этом вопросе должна быть определенная унификация.

Вместе с тем существует несколько вариантов расчета суммарных энергозатрат процесса: классический балансовый метод [15], балансово-обменный подход к понятию интенсификации технологических процессов [9, 16-19] или расчет технологических топливных чисел (ТТЧ) готовой продукции [9, 18,20-23] и др.

При установлении норм расхода топлива на практике применяется так называемый расчетно-статистический