автореферат диссертации по энергетике, 05.14.04, диссертация на тему:Разработка энерго и ресурсосберегающей схемы эффективного использования твердого топлива в шлаковом расплаве

На правах рукописи

Бурмакина Анна Владимировна

РАЗРАБОТКА ЭНЕРГО И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В ШЛАКОВОМ РАСПЛАВЕ

Специальность 05.14.04. - Промышленная теплоэнергетика

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

:с:2

Москва, 2012 г.

005017471

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ» на кафедре ЭВТ (энергетики высокотемпературной технологии)

Научный руководитель: кандидат технических наук, профессор

Морозов Игорь Петрович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Султангузин Ильдар Айдарович

кандидат технических наук, профессор Селезнев Николай Прохорович

Ведущая организация: ЗАО Научно-технический центр

"ЛАГ Инжиниринг"

Защита состоится "24" мая 2012 г. в 17 ч. 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при ФГБОУ ВПО «НИУ «Московский энергетический институт» по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д. 17, аудитория Г - 406.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института.

Автореферат размещен на официальном сайте Высшей аттестационной комиссии Министерства образования и науки Российской Федерации: Ы1р//уак.ed.gov.ru.

Отзывы на автореферат в 2-х экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, Красноказарменная улица, д. 14, Ученый Совет ФГБОУ ВПО «НИУ МЭИ».

Автореферат разослан "<¿0"апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета

Д 212.157.10

Кандидат технических наук

¿2

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Целью энергетической политики России является максимальное эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора.

На основании Энергетической стратегии России на период до 2030 г., утвержденной распоряжением Правительства Российской Федерации от 13 ноября 2009 г. №1715-р сфера угольной промышленности должна характеризоваться увеличением доли угля в топливно-энергетическом балансе (ТЭБ) страны.

Базирование энергетики промышленного предприятия одновременно на углях и природном газе значительно повышает надежность энергоснабжения. Такое базирование в будущем будет иметь и экономический смысл, так как при увеличении цен на природный газ снижение затрат на энергоресурсы может быть достигнуто увеличением доли энергетических углей в топливном балансе предприятия.

Этот практически значимый экономический эффект в промышленной энергетике может быть достигнут только при высокой эффективности использования углей.

Известно, что использование низкосортного твердого топлива, как правило, связано с дополнительными затратами энергии на его обогащение и отделение пустой породы, что приводит к увеличению его энергоемкости и дополнительному загрязнению окружающей среды. С другой стороны, низкосортные виды твердого топлива при их полном безотходном использовании могут обеспечить значительное снижение энергоемкости совокупного продукта.

Целесообразна разработка схем энергоснабжения, которые могут базироваться одновременно и на природном газе, И на газе газификации углей. В этом случае при постоянном объеме потребления топлива предприятием доли природного газа и угля могут плавно варьироваться от 0 до 100%. При этом общие затраты на закупку природного газа и энергетических углей могут быть сведены к минимуму, в зависимости от соотношения цен на природный газ и уголь.

Увеличение доли угля в ТЭБ страны предполагает помимо снижения затрат, связанных с его добычей, обогащением и транспортировкой к местам потребления, организацию комплексного безотходного использования в различных теплотехнологиях.

Цель и задачи исследования. В данной работе ставится следующая цель:

• проанализировать энергетическую эффективность схем использования угля в теплотехнологических системах и разработать рекомендации по созданию энергоэффективного оборудования для получения продуктов с использованием твердотопливного источника энергии.

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе последовательно решены следующие задачи:

• проведен анализ энергетической эффективности использования твердого топлива;

• сделан выбор направления комплексного использования углей с экстремальными энергосберегающими характеристиками;

• выбран эффективный вариант переработки шлака с использованием его температурного и теплового потенциала;

• разработано принципиальное конструктивное оформление реактора для сжигания углей в шлаковом расплаве;

• разработана энерго- и ресурсосберегающая схема с использованием твердотопливного источника энергии.

Методы исследований. Научные исследования проводились с использованием основных принципов методологии интенсивного энергосбережения в части термодинамического анализа тепловых схем, а также с использованием методов математического и физического моделирования.

Научная новизна работы заключается в следующем:

• проведен термодинамический анализ схем переработки твердого топлива;

• разработаны энергосберегающие схемы использования углей на базе комбинирования технологических процессов;

• разработаны рекомендации по конструктивному оформлению реактора по сжиганию угля в шлаковом расплаве с минимальным брызгоуносом.

Практическая значимость работы:

• результаты экспериментального исследования гидродинамики процесса продувки могут применяться для разработки энергосберегающих тепло-технологических объектов, работающих в барботажном режиме;

• результаты математического моделирования процессов сжигания твердого топлива могут быть использованы при разработке реакторов с минимальным брызгоуносом расплава в барботажных процессах;

• разработанная схема переработки углей в шлаковом расплаве может быть применена в энергетической отрасли для расширения ее топливной базы, на металлургических предприятиях и в других теплотехнологических производствах.

Основные положения, выносимые на защиту:

• энергоэффективная тепловая схема использования углей, обладающая экстремальными характеристиками по сравнению с действующими схемами;

• экспериментальные результаты физического моделирования гидродинамики процесса продувки жидкости в барботажном режиме с целью определения распределения газовых объемов;

• математическая модель конструктивного оформления реакционного пространства реактора, оптимизированная по критерию постоянного газосо-держения по высоте шлакового расплава с учетом изменения объема образующихся газов в результате восстановительных реакций и процесса теплообмена.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии» ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ» (2005 г.); XVI Международной научно-технической конференции студентов и

аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» ГОУ ВПО «МЭИ (ТУ)» (2010-2012 гг.).

Публикации. Основное содержание работы изложено в 9 публикациях, из них 3 статьи в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК, получен 1 патент РФ на полезную модель.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и приложений. Работа изложена на 119 страницах основного текста, содержит 49 рисунков, 34 таблицы, список литературы из 144 наименований и 1 приложение. Общий объем работы составляет 140 страниц.

2. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Во введении определяется объект исследования, для которого обозначены основные проблемы и указаны причины их возникновения. Отражено направление технического развития угольной промышленности, в котором отмечаются причины низкой энергетической эффективности использования твердого топлива. Сформулирована цель работы, направление исследований и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приводится структура энергетического баланса страны. Большая часть от всей добычи и использования топливных энергетических ресурсов отводится нефти и газу - около 70%. При этом структура запасов природных энергетических ресурсов (табл. 1) существенно отличается от структуры энергетической базы классического предприятия черной металлургии.

Таблица 1

Структура запасов природных энергетических ресурсов

ЭНЕРГОРЕСУРС Доля запасов Энергетическая база металлургического предприятия

Угли энергетические 66% 20%

Природный газ 7% 10%

Угли коксующиеся 4% 60%

Нефть 19% 10%

Гидроэнергетика 4%

Рассматриваются возможности безотходного использования топлива в те-плотехнологических системах на примере металлургического предприятия, базирующегося на аглококсодоменной технологии. Производится сравнение эффективности использования угля с другими энергоносителями и рассматривается структура потребления низкосортного твердого топлива в промышленности. Приводится годовое потребление энергоресурсов действующего металлургического завода полного цикла, из которого видно, что предприятие базируется в основном на природном газе и на дорогостоящих коксующихся углях. При этом стоимость природного газа в 1,5 раза выше стоимости низкосортных углей. Из чего следует, что сокращение общих затрат на закупку топлива воз-

можно при увеличении доли низкосортных углей в энергетическом балансе предприятия.

Проанализированы различные способы сжигания твердого топлива в энергетических и металлургических производствах, а именно, сжигание в факельном, кипящем слое, циркулирующем кипящем слое и сжигание твердого топлива в расплаве. Отмечены их достоинства и недостатки.

Анализ способов сжигания углей показал, что одним из наиболее перспективных способов является способ сжигания угля в шлаковом расплаве. Его использование дает возможность совместной переработки углей и широкого спектра твердых и жидких отходов с использованием их температурного и теплового потенциала.

Энергетическая база промышленного предприятия представлена смесью углей различных месторождений. В таблице 2 приведен усредненный состав углей по многим месторождениям России.

Таблица 2

Усредненный состав углей___

Среднеарифметический состав,% \УР А" о Р Эк С Р ^ор ср Нр И" Ор О р кДж/кг

18 19,8 0,8 0,6 48,3 3,2 0,79 8,51 18483

Сумма, % 100,00

В состав минеральной части углей (Ар) входят оксиды железа (Ре203), алюминия (А1203), титана (ТЮ2), кальция (СаО), калия (К20), магния кремния (8Ю2). В среднем около 20% состава углей приходится на золу, которая ежегодно пополняет золоотвалы, нанося экологический ущерб окружающей среде. Примерно 800 млн. тонн золы находится в золоотвалах. При этом в золе углей содержится много ценных компонентов. Например, содержание магнетита (Ре304) составляет до 16% по массе или около 13 млн. т железа. Вся эта масса при сжигании угля имела температуру более 800°С, ее физическая теплота в действующих промышленных комплексах теряется, то есть ежегодно в Российской Федерации потери теплоты со шлаком углей достигают 78,8 млн. т у.т.

Следовательно, целесообразно рассмотреть возможность одновременного использования горючей составляющей топлива и его минеральной части.

Литературный обзор показал, что комплексное использование углей может быть достигнуто при наличии энергоэффективных схем и оборудования, характеризующихся минимальными энергетическими затратами при одновременном использовании температурных, тепловых потенциалов получаемых продуктов и потенциальной возможности использования материальной составляющей получаемых продуктов. Таким образом, разработка энергетически эффективной схемы комплексного использования углей представляет практический и научный интерес.

Во второй главе, на основе методологии интенсивного энергосбережения, разработанной в МЭИ на кафедре ЭВТ, проведен анализ различных вариантов

схем использования углей действующих, разрабатываемых и предлагаемых технологий (рис. 1, схемы 1-6).

Твердое топливо

Существующие, разрабатываемые технологии переработки угля

Тепловые электрические станции (схема 1)

получение энергетической продукции - да использование шлака - нет

Комплекс использования твердого топлива на ГРЭС

(схема 2)

получение энергетической продукции - да использование шлака -частично

Металлургический комплекс Ромелт

(схема 3)

получение энергетической

продукции - да использование шлака - нет

Комплекс использования твердого топлива

для получения энергетической продукции (схема 4) получение энергетической продукции - да использование шлака - да

предлагаемые технологии

~ I "

Комплекс использования твердого топлива с дополнительной переработкой стального лома

(схема 5) получение энергетической продукции - да использование шлака - да

Комплекс использования твердого топлива с дополнительной переработкой железной руды (схема 6) получение энергетической продукции - да использование шлака - да

Рис. 1. Действующие и перспективные варианты схем переработки углей

В схеме № 1 твердое топливо используется на тепловых электрических станциях для получения энергетической продукции (пар, электроэнергия и др.). При таком варианте вся минеральная часть топлива складируется на золоотва-лах. Тепловой и температурный потенциал шлака и потенциальная возможность использования материальной составляющей получаемых продуктов в настоящее время не используется.

В схеме № 2 заложен принцип сжигания угля в аэрошлаковом расплаве. Достоинством этого варианта является сжигание угля без предварительной подготовки. Авторы предлагают использовать материальную составляющую шлака, однако тепловой потенциал также не используется. Целью данного варианта является получение электроэнергии.

Схема № 3 показывает высокоэффективную организацию процесса производства металла с использованием энергетических углей. В непрерывно барбо-тируемой шлако-металлической ванне образуется железо при температуре 1600°С. Теплота расплавленного шлака не используется. Дальнейшая переработка получаемого шлака на квалифицированный продукт при таком варианте не осуществляется.

Используя принцип безотходности технологий, включенный в методологию интенсивного энергосбережения, целесообразным является использование

теплоты шлака в пределах тепловой схемы и переработки его на квалифицированный продукт. Построение тепловой схемы по четвертому варианту представляет собой энерготехнологическое комбинирование разных отраслей промышленности с использованием единого энергетического потока. Схемы с 4 по 6 рассматриваем, как термодинамически идеальные схемы.

В схеме 4 предполагается получение энергетической продукции, железа и цементного клинкера из шлака, который находится в жидком состоянии. Предлагаемая схема является ресурсосберегающей схемой использования твердого топлива (рис.2).

Рис. 2. Схема использования углей для получения энергепгаеской продукции (схема№ 4) Обозначения: Э(пюо - элементы подогрева компонентов горения; ПТО - предварительная тепловая обработка; ОТО - основная тепловая обработка; У - уголь; В - воздух; ОГ - отходящие газы; УГ - уходящие газы; Ш - шлак; 02 - кислород; Гл. - глина; Ж.р. - железная руда; СаС03 - известняк; СаО - известь; <Зген - генерируемая энергия от расплава; Эн. прод. - энергетическая продукция; П/п - железосодержащий полупродукт; Вт.т. - вторичное топливо; ЦК - цементный клинкер.

Предварительная оценка возможности реализации предлагаемого комплекса (см. рис.2) была проведена путем термодинамического моделирования, в программном комплексе АСТРА-4. Целью моделирования являлось определение равновесного фазового состава многокомпонентной многофазной системы при заданном исходном элементном составе, а также проведение анализа физико-химических процессов и установления термодинамической возможности их протекания. Как показали многочисленные исследования, допущение о достижении равновесия в большинстве случаев справедливо, если процессы протекают при достаточно высокой температуре или время для установления равновесия достаточно велико, при этом неполное равновесие или частичную неравновесность можно учесть, исключая какие-либо вещества из рассмотрения или задавая фиксированные концентрации каких-либо веществ.

В качестве исходных данных принят средний состав углей (см. табл. 2). Химически реагирующие системы взаимодействия исследованы при 1173-2673К с шагом 200 К при давлении близком к атмосферному (рис. 3). В результате термодинамического моделирования установлено, что в рассматриваемой области высоких температур (Т=1773-2000 К) при наличии твердого углерода и водяных паров образуются восстановительные атмосферы, содержащие преимущественно СО, СОг, Нг, НгО (рис. 3, а). Конденсированные фазы в зависимости от исходного задаваемого соотношения Ре/С представлены восстановленным железом или его карбидом (Ре3С). Соединения РегОз, РегОз'пНгО, Ре304, РеСОз, РеТЮз в этих условиях (при температурах выше 1200 К) отсутствуют (рис. 3, б), т.е. являются термодинамически неустойчивыми, что позволяет говорить о протекании процессов восстановления железа.

со

со,

/со

НгО Н2

у сог

НПО 1500

Температура, К

V

\ с

КЮ; А|,0

с\ РеМ ГеЛ

С

1100 1500

Температура, К

Рис. 3. Процессюалшов1юшяжакзавприсуклвииуга^го^

а - состав газовой фазы (объемные доли); б - состав конденсированной фазы (массовые доли).

Генерируемую энергию от расплава в схемах № 3 и № 4 целесообразно направить на получение энергоемкой продукции, например, на переработку стального лома и плавление железной руды (схемы № 5, № 6).Состав расплава при добавлении стального лома (схема №5) приведен на рис. 4, а. Если сравнить расчетные значения со значениями, полученными промышленным путем, то можно говорить о схожести процессов протекающих в расплавах (рис. 4, б).

Г ■^Ге

1С

Ге,С

С

Ре* Чг0, СаЗН о,

1100 15011

Температура, К

Рис. 4. Состав шлакового расплава при добавлении стального лома а - результаты расчетов с добавлением стального лома; б - сопоставление результатов полученных промышленным путем с расчетными значениями.

Следует отметить, что при большом разнообразии агрегатов, предназначенных для сжигания углей, мало исследован вопрос разработки рациональной конструкции реактора по их использованию в шлаковом расплаве.

Процессы восстановления железа углем в шлаковом расплаве сопровождаются значительным образованием газообразных продуктов, которые приводят к «кипению» расплава. Газообразные продукты реакций восстановления по высоте барботируемого шлака распределены неравномерно. В связи с этим в условиях организации процесса имеет место значительный брызгоунос. Разработка рациональной формы реактора позволит «успокоить» расплав и тем самым понизить унос частиц с отходящими газами. Для определения формы реактора с минимальным брызгоуносом расплава были проведены лабораторные эксперименты. Для решения поставленной задачи в Магнитогорском государственном техническом университете им. Г.И. Носова на кафедре теплотехнических и энергетических систем был разработан экспериментальный стенд и системы, обеспечивающие его функционирование.* Он включал в себя ванну с водой на дне которой находились отверстия для подачи воздуха, системы газо- и водоснабжения, сбора и обработки экспериментальных данных (рис. 5).

6

О "(Р -о- -о

° -о-

<г —„

ss та

I i

Ж

О

Рис. 5. Схема экспериментальной установки 1 -ваша с водой;2-подвод воздуха; 3 - компрессор поршневой; 4-регуляторы расхода воздуха; 5 - газовый лопастной расходомер; 6 - стабилизатор; 7,8 - прибор измерения уровня жидкости.

Для моделирования работы реактора с барботажным режимом принималось следующее условие:

Re, Fr = idem,

- критерий Фруда, vb, - кинемати-

• / ^ где Яе = —--критерий Рейнольдса; =

V, g^

ческая вязкость газа, м2/с; - скорость газа, м/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; / - характерный размер, м.

При выборе основных факторов, определяющих параметры продуваемого жидкостного слоя, принимали следующие допущения: газ и жидкость изотермичны; химического реагирования газа с жидкостью не происходит; физические свойства жидкости и газа постоянны; жидкость однородна по своему физическому и химическому составу. При проведении эксперимента применялась теория планирования эксперимента. При этом был разработан план факторного эксперимента, который включал: шаг между отверстиями, диаметр отверстия и расход воздуха. Расходы воздуха на модели выбирались с учетом расходов

* При научном консультировании профессора, д.т.н. C.B. Картавцева (МГТУ)

окислителей на промышленных установках небольшой мощности (до 10-12 т/ч загружаемого материала).

После стабилизации режима продувки производилась запись изменения столба продуваемой жидкости через каждые 5 секунд, тем самым набиралась база для статистической обработки. Выполнялась фотофиксация процесса бар-ботирования жидкости. Для каждого режима продувки производилось более 20 фотографий. Каждая фотография была обработана с использованием программы Photoshop. Подбирался нужный фон, оттенялись газовые пузыри в жидкости.

Статистическая обработка экспериментальных данных по распределению газовых объемов в жидкости производилась с применением пакета MS Excel (рис. 6). На основании экспериментальных данных получена зависимость распределения диаметров газовых пузырьков (üQ от их количества (Щ в жидкости. Сравнение полученного распределения с эмпирическим было произведено с помощью критериев согласия. Одним из них является критерий Пирсона или Хи - квадрат (х2). Было установлено, что распределение газовых объемов в жидкости соответствует нормальному закону. Результаты экспериментальных исследований позволили применить закон нормального распределения для разработки формы реактора с равномерным содержанием газовой фазы по высоте барботируемого слоя расплава.

Было построено математическое описание формы реактора. В качестве исходных данных задавались плотностью газа и жидкости, динамической вязкостью и теплопроводностью жидкости. Теплофизические свойства для расплава были получены на основании литературных данных и статистического анализа:

р, - рй -5,836-10"3 -f+ з,з-ю~5 -/2,

Р, —Ра -0,064-(-3,561-КГ5 у

Л, = л, + 2,62 • 10"3 ■ / - 1,355 ■ 10"5 • Г*, А.■ = ("о - 0=05 ■ t + 6,587 • 1СГ4 • f1 - 3,07 ■ 10"s ■ f3 )■ 10"ä, где рг и рж - плотность газа и жидкости соответственно, кг/м3; р0 - начальное давление, кг/м3; рж - динамическая вязкость жидкости, Пас; ju0 - начальная динамическая вязкость, Па-с; Хж - коэффициент теплопроводности, Вт(м-К); Ла -коэффициент теплопроводности при температуре t0-293 К, Вт(м-К); t - температура, К.

I-4

-tf1 "/1 л

•ß *к A4 • •10 s <t

диаметры газовых пуэьч»*й,м

Рис. 6. Распределение диаметров пузырьков от их количества

Подача воздуха ■ - при мг - 7,6-10"4 м/с

• - при у/ = 7-10"4 м/с

* -прии» = 5,8-10"*м/с

В основе математической модели заложено нормальное распределение пузырей в объеме жидкости, полученное из эксперимента. На рис. 7 представлена качественная картина образования газовых пузырей в жидкости. Дутье подается через нижние фурмы. Попадая в жидкость, газ разбивается на отдельные газовые пузыри различного диаметра. По высоте агрегата газосодержание различное. В нижних слоях оно значительно ниже, чем в верхних <ртж,а, < <Р,срх.а. ■ Это объясняется тем, что при всплытии газовый пузырь увеличивается в объеме. Скорость всплытия пузыря зависит от его диаметра, плотности, сил вязкости и температуры

¿Г

IV О Г) >.............

о-

о

ш

р,

•Л)

18 -и, + 0,61

I 1 \

Л'тье

Рис. 7. Качественная картина образования газовых пузырей

О.» - р.)

(2)

где <1г — диаметр газового пузыря, м; уж - кинематическая вязкость жидкости, м2/с.

Начальная температура пузыря равна температуре подаваемого газа. Температура жидкости равна 1600°С.

Температуру газовых объемов находим из теплового баланса:

(3)

где Уг - объем газов, м3; сг — теплоемкость газа, кДж/(кгК); Лх - изменение во времени, с.

При увеличении температуры газовых объемов их размеры увеличиваются. В связи с этим происходит увеличение площади реакционного пространства барботируемого расплава ^ по высоте

(4)

Происходит изменение межфазной поверхности при всплытии пузыря. Она зависит от коэффициента поверхностного натяжения жидкости, разности высот

спокойного и барботажного слоя в

0,08

0,04

г : в I1 IV

1 м4

1 1 1

1 У 1

1 ! I

/ 1 1 1 1 1 1

0,25

0,5

0,75 Н, м

Рис. 8. Изменение межфазной поверхности по высоте установки

реакторе и разности давлении на границе раздела фаз. Изменение суммарной межфазной поверхности по высоте установки представлено на рис. 8. Из него видно, что можно выделить четыре зоны: I - зона с незначительным изменением газовых объемов; II - переходная; III -зона максимального изменения параметров газовых пузырей; IV -

стабилизационная. Видно, что в III зоне начинается резкое увеличение размеров газовых пузырей. Следовательно, при работе установки в этой зоне всегда будет происходить резкое увеличение ее диаметра. Таким образом, чтобы обеспечить равномерное распределение объема жидкости по высоте, для уменьшения брызгоуноса, внутрешшй диаметр установки (без учета жидкой среды)

определяется площадью реакционного пространства барботируемого расплава

(5)

Для решения представленной системы уравнений был составлен алгоритм расчета с использованием программного продукта MathCAD (рис. 9).

Рис. 9. Блок-схема алгоритма нахождения формы реактора

Внутренний диаметр установки по высоте реактора при условии постоянного газосодержания по его высоте представлен на рис.10, а. Таким образом, в результате математического моделирования получен рациональный профиль

Рис. 10. Схема реактор шлакового расплава а - профиль установки, полученные в результате решения математической модели, б -принципиальная схема реактора, где 1 - отвод отходящих газов; 2 - окно подвода шихтовых материалов (уголь [I др.); 3 -отвод жидкого шлака и др. продуктов; 4 -подвод кислорода (воздуха) для продувки; 5 -продуваемая нижняя решетка.

В третьей главе разрабатывается энерго и ресурсосберегающая схема. В основу предлагаемой технологии сжигания твердого топлива заложены следующие элементы: реактор с расплавом, системы для получения энергетической продукции, системы для переработки получаемого шлака.

В исследованных схемах с 1 по 3 (рис.1), переработка шлака либо не предусматривается, либо он используется с потерей теплового потенциала. Для достижения эффекта предельного энергоресурсосбережения целесообразно перерабатывать расплавленные шлаки на квалифицированный продукт, используя их температурный и тепловой потенциал.

Огненно-жидкие шлаки по составу наиболее близко подходят в качестве исходного материала для производства цементного клинкера, гранулированного шлака, минеральной ваты, шлакокаменного литья и удобрений. На производство цементного клинкера расходуется 0,244 т у.т./т, гранулированного шлака 0,035 т у.т./т., минеральной ваты в среднем 0,098 ту.т./м3, шлакокаменного литья и удобрений менее 0,09 т у.т. Таким образом, для получения наибольшего энергоресурсосберегающего эффекта целесообразно перерабатывать шлак на цементный клинкер с использованием его теплоты и материальной части в пределах тепловой схемы процесса.

В работе решалась задача энергоэффективного использования минеральной части угля при его сжигании в шлаковом расплаве. В ходе расчетов материального баланса был получен состав сырьевой смеси, состоящей из шлакового расплава и добавок для получения цементного клинкера (табл. 3).

Таблица 3

Химический состав сырьевой смеси____

ЙЮ2 А120з Ре203 ТЮ2 МП3О4 СаО мео N320 К20 БОз I

Минеральная часть твердого топлива % 34,17 25,22 22,49 1,19 0,67 6,68 1,92 1,29 1,53 4,84 100,00

Добавка, кг 0,341 0,002 0,002 0,004 0,002 2,18 0,05 0,057 0,01 0,01 2,66

Смесь, % 22,36 5,8 3,03 0,44 0,34 64,53 0,70 0,47 0,56 1,77 100,00

Химический состав клинкера полученного на цементных заводах колеблется в следующих пределах 8Ю2 - 20 - 24%; А1203 - 4 - 8%; Ре203 - 2 - 6%; СаО -62-67%; №20 не более 4,5%. Остальные компоненты должны содержаться в незначительном количестве. Таким образом, полученный состав цементного клинкера из расплава близок к составу получаемого на цементных заводах.

Видимый удельный расход топлива при получении цементного клинкера из шлакового расплава равен 143 кг у.т./т кл (клинкера). При этом для мокрого способа расход топлива находится в диапазоне от 200 до 240 кг у.т./т кл., а для сухого способа от 120 до 240 кг у.т./т кл.

В схеме №4 (рис.2) образующиеся высокотемпературные отходящие газы (<3Ир= 12240 кДж/кг) используются для получения тепла и электроэнергии. На основании теплового и материального балансов рассчитано, что можно получить 3,06 кВт-ч электроэнергии на 1 кг получаемого продукта (п.п).

Тепловые балансы схем 5 и 6 показывают, что за счет дополнительной теплоты расплава (<Зген=3,661-103 кДж/кг) возможно расплавить 2,477 кг стального лома (схема №5) и 0,666 кг железной руды (схема № 6). При этом возможно получить 0,79 кВт-ч/кг п.п электроэнергии.

Для оценки энергосберегающего эффекта в рассматриваемых вариантах (схемы № 2- №6) предлагается сопоставление энергоемкостей получаемых продуктов в этих вариантах и в действующих производствах. Энергоемкости продуктов в схемах №2- №6 рассчитываются по формуле (6) и представлены в табл. 4.

э-=1>,.э;, (б)

где Э,™ - энергоемкость совокупного продукта, полученного в г'-ой схеме, кг у.т./кг получаемого продукта; т] - удельные расходы исходных веществ входящих в г'-ую схему, кг/кг получаемого продукта; Э" - энергоемкость у-го исходного вещества входящего в г'-ую схему, кг у.т./кг получаемого продукта; п - количество компонентов исходных веществ.

Таблица 4

эсп

Энергоемкости продуктов в термодинамически идеальных схемах, ' кг у .т./ кг п.п

Схема №1 Схема №2 Схема №3 Схема №4 Схема №5 Схема №6

- 0,891 0,961 0,125 0,055 0,194

Расчет энергоемкости продуктов в действующих производствах произво-

дится по формуле

м

эт=ЦРк'эдщ (7)

?

где Эда - энергоемкость совокупного продукта в действующих производств, кг у.т./кг получаемого продукта; рк- продукты, получаемые в /-ой схеме, кг/кг получаемого продукта; Э^ - энергоемкость к-то продукта на уровне действующего продукта, кг у.т./кг получаемого продукта.

Разница между Э™^ и О'" составляет потенциал энергосбережения, в кг у.т./кг получаемого продукта

(8)

Рассчитанное значение потенциала энергосбережения для разрабатываемых и предлагаемых вариантов приведено в таблице 5.

Таблица 5

Характеристики схем различных вариантов

¡'-я схема Яэ кгу.т./кгп.п ОТ; Рк

1 ■ - уголь, воздух, вода энергетическая продукция

2 0,022 уголь, известняк, воздух, вода, природный газ железо (п/п), шлакощебень, вторичное топливо, энергетическая продукция

3 0,189 уголь, известняк, воздух, железная руда, вода, природный газ железо (п/п)

4 0,95 уголь, известняк, кислород, воздух железо (п/п), цементный клинкер, вторичное топливо, энергетическая продукция

5 1,025 уголь, известняк, кислород, воздух, стальной лом железо (п/п), цементный клинкер, вторичное топливо

6 0,885 уголь, известняк, кислород, воздух, железная руда железо (п/п), цементный клинкер, вторичное топливо

Как видно из таблицы 5, наиболее энергоэффективным является вариант №5. Схема варианта №5 представлена на рис. 11.

Э(пкг)

пто

ото

СвСО^

ЦКр

№

ЦК

Рис. 11. Схема использования углей, с добашгашем стального лома (схема № 5) Обозначение: Ст.лом - стальной лом.

В ней получен наиболее высокий потенциал энергосбережения. На основе проведенного энергетического анализа разработанных вариантов переработки углей установлено, что наиболее энергетически эффективным направлением является использование их для получения металлического полупродукта, цементного клинкера и вторичного топлива при дополнительной переработке стального лома, то есть по схеме варианта №5.

В четвертой главе произведена энергоэкономическая оценка применения результатов работы нового промышленного комплекса (схема №5) использования углей с добавлением стального лома и действующего производства по аг-лококсодоменной технологии (табл. 6).

Таблица 6

Себестоимость производства тонны чугуна по двум вариантам

Наименование статей Себестоимость руб./т 2004 г. Доменное производство Использование угля в шлаковом расплаве

количество т/т чугуна руб. количество т/т чугуна руб.

агломерат 587,00 1,00 587,00 -

окатыши доменные 460,1 0,60 276,06 -

известь 81,3 - 0,21 17,03

кокс 580,00 0,32 185,6 -

пылеуголь 800,00 0,16 128 -

уголь 450,00 - 0,34 153

ст. лом 500,00 - 0,99 495

кислород, 1000 м'' 277,16 0,03 8,315 0,11 30,49

ИТОГО 1184,9 594,9

Проведено сравнение количества получаемого продукта в кг у.т. и себестоимости продукции. Цены использовались за 2004 год, как последние находящиеся в общем доступе по указанным аспектам. Расчет показал, что энергетические затраты при получении чугуна в барботируемом шлаковом расплаве (схема №5) ниже в 2 раза, чем при его получении в доменном процессе. При этом, если учесть все возможные энергетические потери в схеме №5, себестоимость продукции возрастет в среднем на 35%. Следовательно, экономический эффект составит более 400 руб за 1 т чугуна. Эффект достигается за счет увеличения доли использования теплоты шлака, за счет использования кускового угля, при этом оказывается возможным отказаться от громоздких и дорогостоящих систем пылеприготовления и от устройств для дополнительного обогащения угля.

Для определения предельного уровня энергосбережения был проведен расчет экономии топливно-энергетических ресурсов при получении цементного клинкера в разрабатываемой энергоресурсосберегающей схеме №5.

По данным федеральной службы государственной статистики за 2010 год в стране было произведено 44,2 млн. т цемента.

При этом если принять, что весь объем производимого в стране цементного клинкера будет осуществляться в рамках комплексного использования твер-

1В

дого топлива по схеме №5, годовая экономия топливно-энергетических ресурсов достигнет

= (9)

где Лцк - годовой объем производимого в стране цементного клинкера; сцк - количество цементного клинкера, получаемого с 1 т полупродукта; ЛВ„„ - максимально возможная экономия топлива при реализации энергосбережения в существующей технологии.

Потребление топливно-энергетических ресурсов за 2010 год в России составило примерно 189 млн. т у.т., следовательно, годовая экономия составит 5,8%.

3. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Впервые на основе принципов методологии интенсивного .энергосбережения разработано направление комплексного использования углей, обладающего экстремальными энергосберегающими характеристиками с применением наиболее эффективного способа сжигания твердого топлива в шлаковом расплаве.

2. Разработан эффективный вариант переработки шлака на цементный клинкер с использованием его теплоты. При этом видимый удельный расход топлива равен 143 кг у.т./т кл., что примерно в 2 раза ниже удельных затрат топлива при получении цементного клинкера по мокрому способу производства.

3. В результате термодинамических исследований разрабатываемых схем обоснована возможность восстановления окислов железа из шлакового расплава при наличии в нем стального лома и железной руды.

4. В результате проведения эксперимента на газожидкостной модели и последующей статистической обработки экспериментальных данных установлено, что распределение диаметров газовых пузырей при нижней продувке отвечает нормальному закону распределения.

5. Разработана математическая модель изменения газосодержания по высоте реактора, с помощью которой определены геометрические характеристики реактора с минимальным брызгоуносом.

6. На основании проведенных исследований установлено, что наибольшим потенциалом энергосбережения обладает схема с переработкой стального лома в барботируемом шлаковом расплаве, потенциал энергосбережения которой составляет 1,03 кг у.т./кг угля.

7. Проведена сравнительная энергоэкономическая оценка энергоемкости продукта, получаемого в доменном производстве и в разрабатываемой энерго-и ресурсосберегающей схеме с добавлением стального лома. Получено, что энергоемкость получаемого продукта в доменном производстве в 2 раза выше. Экономический эффект может составит более 400 руб на 1 т чугуна.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ПРЕДСТАВЛЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ ПУБЛИКАЦИЯХ:

1. Картавцев C.B., Бурмакина A.B. Разработка условий эффективного использования энергетических углей // Уголь. 2006, № 9. С.14.

2. Картавцев C.B., Бурмакина A.B. Повышение эффективности использования энергетических углей в промышленности // Промышленная энергетика. 2006, № 12. С. 34-35.

3. Бурмакина A.B., Морозов И.П. Комплексный подход к сжиганию углей в шлаковом расплаве // Уголь. 2012, №1. С.37.

4. Пат. РФ на ПМ № 58120 РФ, МПК7 C10G9/34. Аппарат для пиролиза углеводородного сырья / Картавцев C.B., Петин С.Н., Нешпоренко Е.Г., Бурмакина A.B. Бюл. № 31. С. 484-485.

5. Бурмакина A.B., Картавцев C.B., Злоказова Н.Г. Энергоэффективное использование низкосортного твердого топлива в черной металлургии // Наука и производство Урала: Сб.трудов межрегиональной научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых. Новотроицк: НФМИСиС, 2005. С. 19-23.

6. Бурмакина A.B., Лакирева А.И., Картавцев C.B. Безотходная переработка твердого топлива и железосодержащего сырья // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской студенческой олимпиады, научно-практической конференции и выставки студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Екатеринбург, 2005. С.302-304.

7. Бурмакина A.B., Морозов И.П. Термодинамическое моделирование восстановления твердым топливом расплавленных шлаков // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. 16-й Международ, науч.-техн. конф. В 3 т. Т. 2. М. : Издательский дом МЭИ, 2010. С. 3 80 - 3 81.

8. Бурмакина A.B., Морозов И.П. Разработка тепловых схем на основе теории интенсивного энергосбережения с производством дополнительной продукции // Энерго- и ресурсосбережение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: Сборник материалов Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, г. Екатеринбург, 2010.

9. Бурмакина A.B., Морозов И.П. Получение цементного клинкера из шлакового расплава // Радиоэлектроника, электротехника и энергетика: тез. докл. 17-й Международ, науч.-техн. конф. В 3 т. Т. 2. М.: Издательский дом МЭИ, 2012. С. 177.

С. 37-40.

Подписано в печать Полиграфический центр МЭИ (ТУ) Красноказарменная ул., д. 13

61 12-5/2374

ФГБОУ ВПО «НИУ «МЭИ»

На правах рукописи

БУРМАКИНА АННА ВЛАДИМИРОВНА

«РАЗРАБОТКА ЭНЕРГО- И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ ЭФФЕКТИВНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В

ШЛАКОВОМ РАСПЛАВЕ»

СПЕЦИАЛЬНОСТЬ 05.14.04 - Промышленная теплоэнергетика

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: Профессор, кандидат технических наук,

Морозов И.П.

Москва 2012

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................3

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ................................................................6

1.1 Анализ структуры энергетического баланса страны......................................6

1.2 Обобщенный анализ потребления низкосортного твердого топлива в промышленности.................................................................................................7

1.3 Анализ и обоснование особенностей организации барботажного режима 11

1.4 Обобщенный анализ организации эффективного использования углей в различных технологиях.....................................................................................19

1.4.1 Анализ использования низкосортного угля в бескоксовой металлургии железа..................................................................................................................22

1.4.2 Использование минеральной части твердого топлива..............................28

1.5 Основные способы сжигания твердого топлива...........................................31

1.6 Постановка задач исследований.....................................................................35

1.7 Выводы по главе 1............................................................................................36

ГЛАВА 2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ И ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШЛАКОВОГО РАСПЛАВА.................................................37

2.1 Методика проведения исследований термодинамических параметров шлакового расплава с использованием программного комплекса АСТРА. 37

2.2 Описание экспериментального стенда для исследования гидродинамических характеристик барботажного режима в шлаковом расплаве...............................................................................................................40

2.2.1 Исследования распределения газовых объемов в шлаковом расплаве ...48

2.3 Разработка математической модели основных процессов протекающих в расплаве для определения формы реактора....................................................59

2.3.1 Исследования влияния распределения газосодержания по высоте

шлакового расплава на форму реактора..........................................................61

2.4 Выводы по 2 главе............................................................................................71

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЭНЕРГОРЕСУРСОСБЕРЕГАЩЕЙ СХЕМЫ НА ОСНОВЕ ГАЗОДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШЛАКОВОГО

РАСПЛАВА........................................................................................................72

3.1 Исследования состава продуктов восстановления при сжигании угля в шлаковом расплаве............................................................................................72

3.2 Математическое описание процесса горения угольных частиц в реакторе ..............................................................................................................................76

3.3 Разработка энергоресурсосберегающей схемы на базе сжигания углей в шлаковом расплаве............................................................................................80

3.3.1 Результаты исследований различных направлений по использованию минеральной части углей..................................................................................84

3.3.2 Формирование схемы эффективного использования угля.......................89

3.4 Определение потенциала резерва интенсивного энергосбережения энергосберегающих схем..................................................................................97

3.4.1 Определение энергоемкостей тепловых схем............................................98

3.5 Выводы по 3 главе..........................................................................................106

ГЛАВА 4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГО И РЕСУРСОСБЕРЕГАЮЩЕЙ СХЕМЫ НА БАЗЕ СЖИГАНИЯ УГЛЕЙ В ШЛАКОВОМ РАСПЛАВЕ.....................................................................................107

4.1 Определение основных термодинамических показателей схемы на базе сжигания углей в шлаковом расплаве...........................................................107

4.2 Технико-экономическое обоснование эффективности ресурсосберегающей схемы............................................................................113

4.3 Выводы по 4 главе..........................................................................................117

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ..................................................................................................118

Библиографический список....................................................................................119

Приложение .........................................................................................................132

ВВЕДЕНИЕ

Целью энергетической политики России является максимально эффективное использование природных энергетических ресурсов и потенциала энергетического сектора.

Ход реализации Энергетической стратегии России на период до 2030 года, утвержденная Правительством РФ от 13 ноября 2009 г. в сфере угольной промышленности характеризуется увеличением доли угля в топливно-энергетическом балансе страны.

Для достижения стратегической цели развития угольной промышленности необходимо решить основные задачи:

повышение эффективности добычи, обогащения и переработки угля на основе совершенствования применяемых технологий и оборудования, а также внедрения передовых организационных решений;

организация производства высококачественной конечной продукции, комплексное использование угля и сопутствующих ресурсов.

Энергетические угли и природные газы являются первичными энергетическими ресурсами, на которых основывается энергетика промышленных предприятий. При этом подавляющая часть предприятий базируется на природном газе, за исключением тех, на которых существуют промышленные тепловые электрические станции (ТЭС) и крупные котельные. Оборудование таких ТЭС позволяет использовать угли и природный газ практически в любой пропорции в пределах установленной тепловой мощности. Здесь угли могут замещать природный газ непосредственно.

В технологических и энергетических агрегатах, потребляющих только газовое топливо, угли не могут замещать горючие газы непосредственно.

Базирование энергетики промышленного предприятия одновременно на углях и природном газе значительно повышает надежность энергоснабжения. Кроме надежности, такое базирование имеет и экономический смысл. При увеличении цен на природный газ снижение платежей за энергоресурсы может быть достигнуто увеличением доли энергетических углей в топливном балансе

предприятия.

Энергоресурсосбережение является чрезвычайно актуальной проблемой в связи с дефицитом и высокой стоимостью жидкого и газообразного топлива в ряде стран, в том числе и в России. В перспективе предусматривается увеличение объемов потребления на энергетические нужды твердого топлива. Сейчас во многих странах проблема энергосбережения решается за счет эффективного использования как природных и вторичных энергетических ресурсов, так и возобновляемых источников энергии. Ископаемые ресурсы Земли не бесконечны, и настало время задуматься над их рациональным использованием. Человечество потребляет миллиарды тонн минерального сырья, топлива, воды, биомассы, атмосферного кислорода, а в готовый продукт переходит лишь 1 % затраченных природных ресурсов.

"Газовая пауза", то есть преимущественное использование в ближайшей перспективе газового топлива, как наиболее "чистого", не может быть долгой, поскольку разведанных запасов газа, как и нефти, хватит лишь на несколько десятилетий. За это время необходимо разработать экологически чистые технологии эффективного сжигания угля (его запасов хватит на столетия). Запасы угля, к примеру на 2005, составили 1080 млрд. т., из них более 2/5 относятся к категории низкосортных бурых углей и лигнитов. Ухудшение качества (рост зольности) происходит в процессе освоения новых шахт и разрезов за счет разработки некондиционных по зольности пластов, а также при перемешивании угля и породы при выемке и его транспортировке.

Низкосортные виды топлива являются значительным резервом снижения энергозатрат в различных технологических процессах.

Обеспечение заданного качества углей связано с дополнительными затратами на их обогащение. В связи с этим повышение качества топлива не должно быть самоцелью. Основной задачей технологического цикла добычи и использования углей является производство конечной продукции, при ее минимальной себестоимости и энергоемкости.

Для решения этой задачи целесообразно разработать схемы энергоснаб-

жения, которые бы базировались одновременно на природном газе и угле, с обязательным производством горючего газа из угля для возможности замещения этим газом природного газа.

В этом случае при постоянном объеме потребления топлива предприятием, доля в нем природного газа и угля может плавно варьироваться от 0 до 100%.

Целесообразна разработка схем энергоснабжения, которые могут базироваться одновременно и на природном газе, и на газе газификации углей. В этом случае при постоянном объеме потребления топлива предприятием доли природного газа и угля могут плавно варьироваться от 0 до 100%. При этом общие затраты на закупку природного газа и энергетических углей могут быть сведены к минимуму, в зависимости от соотношения цен на природный газ и уголь.

Увеличение доли угля в ТЭБ страны предполагает помимо снижения затрат, связанных с его добычей, обогащением и транспортировкой к местам потребления, организацию комплексного безотходного использования в различных теплотехнологиях.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СПОСОБОВ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТВЕРДОГО ТОПЛИВА В СУЩЕСТВУЮЩИХ ТЕХНОЛОГИЯХ

1.1 Анализ структуры энергетического баланса страны

Сегодня энергетика является основой развития производственных сил, создания материально-технической базы. Отрасль включает производства, занятые добычей и транспортировкой различных топлив. Наша страна располагает огромными запасами топливно-энергетических ресурсов, поэтому промышленность России полностью на них базируется. Однако их размещение по территории неравномерно. При этом главные потребители топлива находятся в Европейской части РФ, а 80% геологических запасов топлива сосредоточено в восточных районах России. Это обуславливает дальность перевозок и увеличение себестоимости продукции.

Энергоснабжение современного металлургического предприятия полного цикла опирается на использование коксующихся углей, природного газа, электроэнергии и энергетических углей (табл. 1.1) и представляет собой энергетическую базу теплотехнологического комплекса отрасли [1].

Таблица 1.1

Энергетическая база предприятия

РЕСУРСЫ ЭНЕРГЕТИЧ 1ЕСКАЯ БАЗА ПРОДУКТЫ

Железная руда Угли коксующиеся 60% Угли энергетические 20% Чугун Сталь Прокат

Известняк Природный газ 10% Электроэнергия 10%

В структуре топливно-энергетического баланса (ТЭБ) России большая часть отводится нефти и газу - около 70 % всей добычи и использования топлива [2]. Структура запасов природных энергетических ресурсов существенно отличается от структуры энергетической базы любого предприятия (табл. 1.2):

Таблица 1.2

Структура запасов природных энергетических ресурсов [2]

№ ЭНЕРГОРЕСУРС Доля

1 Угли энергетические 66%

2 Природный газ 7%

3 Угли коксующиеся 4%

4 Другие энергоресурсы (нефть, гидро) 23%

Уголь в своем составе имеет в основном углерод, водород и кислород. Угли, имеющие большой выход летучих и высокую зольность, используются, как правило, на тепловых электрических станциях. В угольной промышленности РФ добывается примерно около 300 млн. т углей. Из них на ТЭС сжигается больше половины.

За последние 10-20 лет роль угля значительно возросла. С каждым годом разведанных запасов твердого топлива становится все больше: если в 1996 г. утверждалось, что запасов твердого топлива хватит на 250-300 лет, то уже 2001 г. эта цифра возросла до 800-1000 лет [3-4]. В связи с этим твердое топливо является конкурентоспособным по сравнению с запасами других энергоресурсов, а также в сравнении с другими традиционными энергоносителями. Оно обладает преимуществами при доставке и относительной защищенностью от кризисов. Однако нельзя игнорировать тот факт, что с разведанными новыми запасами угля его качество не становится лучше.

1.2 Обобщенный анализ потребления низкосортного твердого топлива в

промышленности

Многие страны мира направляют свои силы на повышение использования твердого топлива [5]. Так, например, энергетики США, Японии создают перспективные технологии сжигания топлива (Advanced Combustion), которые помогут повысить КПД ТЭС до 45% (КПД ТЭС России в среднем составляет 35-

40%) [6].

В крупных регионах страны многие металлургические комплексы, имея значительные запасы местного железорудного сырья, вынуждены завозить коксующийся уголь из других регионов. Так, например, на Урал завозится более 33% угля. Это связано с тем, что регион просто не имеет собственных коксующихся углей [1,7].

Потребление энергоресурсов по годовому топливному балансу действующего металлургического завода с полным циклом показано в табл. 1.3.

Таблица 1.3

Годовое потребление топлива действующего металлургического завода с пол-

ным циклом производства [7]

Потребители Годовое потребление условного топлива, тыс. т

Доменный газ Коксовый газ Природный газ Твердое топливо Жидкое топливо

Доменные печи (вдувание) — — 1770 — —

Воздухонагреватели доменного цеха 694 10 4

Коксохимическое производство 515 156

Конвертерные цехи 98 91

Электросталеплавильный цех 8 4 2

Прокатные цехи 172 207 780

Агломерационная фабрика 77 180 291

Известковое и огнеупорное производство 80 304

Азотно-туковое производство 483

Энергетические установки (ТЭЦ, пиковые котельные и др.) 950 265 186 71

Прочие потребители 60 50 20 305

Потери (проектные) 80 8 13

Всего: 2556 1541 3170 362 305

Как следует из табл. 1.3, завод потребляет 7934 тыс. т условного топлива в год, в том числе: внутренних горючих энергоресурсов 4090 тыс. т (51,6%), природного газа 3170 тыс. т (40,0%), твердого и жидкого топлива 667 тыс. т (8,4%). Использование внутренних энергетических ресурсов составляет более 50% общего топливопотребления. Расход кокса доменным цехом составляет 4166 тыс. т, расход угля на коксование - 5392 тыс. т/год.

Таким образом, энергетика данного предприятия базируется на природном газе 40% из 7934 тыс. т топлива, который в 1,5 раза дороже энергетического. Следовательно, сокращение общих затрат на закупку топлива возможно с увеличением доли энергетических углей на ТЭЦ и котельных при замене части коксующихся углей энергетическими.

Уголь представляет собой ценное энергетическое сырье, имея в своем составе разнообразные компоненты. В основном состоит из углерода, водорода и кислорода.

Пригодность твердого топлива определяется его химическим составом и свойствами. Топлива, имеющие большой выход летучих и высокую зольность, используют в основном в котельных и на тепловых станциях.

В РФ добывается около 257 млн. т углей. Из них на ТЭС сжигается 128,6 млн. т углей [8]. ТЭС, в основном, оборудованы либо факельными, либо слоевыми топками. В настоящее время при сжигании минеральная часть углей полностью выбрасывается и складируется на золоотвалы [9].

Наибольшее количество мирового запаса твердого топлива составляют энергетические угли [10].

Многие предприятия нашей страны работают на смеси углей, поэтому в дальнейших расчетах использовался только усредненный состав твердого топлива.

В таблице 1.4 приведен усредненный состав твердого топлива, полученный при обработке составов углей из 89 месторождений.

Таблица 1.4

Усредненный состав твердого топлива

Среднеарифмети- Ар с Р с Р ор ср Нр Ор О р кДж/кг

ческий состав, % 18 19,8 0,82 0,61 48,3 3,22 0,79 8,51 18483

Сумма, % 100

В каждой классификации состав углей меняется в широких пределах (табл. 1.5 -1.7).

Таблица 1.5

Усредненный состав антрацита ___

Среднеарифметический состав, % Ар 8/ с Р ор Ср Нр Ор О р Чсн 5 кДж/кг

7,8 25,9 1,4 0,5 60,8 1,5 0,5 1,7 22200

Сумма, % 100

максим, значение 13,0 36,5 2,0 0,7 66,9 2,6 1,0 4,0 25300

миним. значение 4,5 20,9 0,4 0,3 46,1 0,6 0,2 0,8 15800

Таблица 1.6 Усредненный состав каменных углей

Среднеарифметический состав, % Ар 8кр о Р ^ор Ср Нр Ор О р ЧСН 5 кДж/кг

22,5 13,97 0,57 0,43 48,9 3,32 0,77 9,69 18400

Сумма, % 100

максим, значение 56,3 40,9 6,8 1,7 68,5 11,6 1,8 14,7 26700

миним. значение 6,4 4,3 0,1 од 25,4 2 0,2 ЗД 8800

Таблица 1.7 Усредненный состав бурых углей

Среднеарифметический состав, % Ар с Р ^ор Ср Нр Ор 0/, кДж/кг

33,3 17,7 0,36 0,21 34,4 2,51 0,55 10,98 12160

Сумма, % 100

максим, зн-ие 56 40,3 1,7 1 51,7 3,6 1,1 13,9 19050

миним. зн-ие 17 4,4 ОД 0,05 22,2 1,5 0,2 6 6320

В твердом топливе содержание минеральной части составляет более 20%. После проведения ранжирования состава минеральной массы было получено, что в ней содержится до 5 % оксида железа от 100% состава углей (табл. 1.8).

Таблица 1.8

_Средний состав минеральной части_

Содержание главных компонентов, %

8Ю2 А1203 Ре203 ТЮ2 Мп304 СаО мёо №20

средний состав, % 34,17 25,21 22,49 1,196 0,668 6,68 1,924 1,286

Сумма, % 100,00

средний состав, % 6,78 4,99 4,47 0,24 0,11 1,32 0,38 1,5

Сумма, % 19,78

Как видно, в минеральной части углей содержится железо в значительных количествах.

Рассматривая средний состав минеральной части углей, можно сказать, что наибольшая массовая доля приходится на 8Ю2, А1203, СаО и Бе203.

К сожалению, на сегодня значител