CC BY
344
УДК 621.365
В. А. ТАРАСОВ
ВОЗМОЖНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭНЕРГОЭФФЕКТИВНОСТИ РУДОВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ ПРОЦЕССОВ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА ШИХТОВЫХ МАТЕРИАЛОВ
Электропечи для производства ферросплавов и других рудовосстановительных процессов являются наиболее крупными и энергоемкими электротермическими установками, мощность которых достигает 80 МВА, удельный расход электроэнергии составляет 5000-15000 кВтч/т [1-3], печи расходуют также значительное количество дорогостоящих восстановителей, поэтому повышение энергоэффективности работы рудовосстановительных печей является важной и актуальной задачей. Большинство исследований по энергосбережению на предприятиях с рудовосстановительными печами направлено на снижение расхода электроэнергии и уменьшение потерь восстановленных элементов [1-3, 9-12].
Основное внимание уделяется выбору рациональных параметров и элек-тротехнологических режимов работы печей, снижению потерь электроэнергии в токоподводах. Для исследования процессов преобразования энергии и электрических полей в ваннах печей разработаны математические модели [4-6]. При исследования преобразования в ваннах печей электрической энергии в тепловую энергетический потенциал шихтовых материалов обычно не учитывается, поскольку он может быть использован только в энерготехнологическом комплексе, включающем в себя печь, систему подготовки шихты и систему утилизации вторичных энергоресурсов. Такие комплексы позволяют наиболее эффективно решать задачи энергоресурсосбережения и наряду с продуктами восстановительной плавки за счет утилизации энергии отходящих газов получать тепловую и электрическую энергию. Для выбора рациональных параметров и режимов работы, а также алгоритмов управления энерготехнологическими комплексами необходимо создание математических моделей, которые включают в себя обобщенные зависимости объема, состава и энергетического потенциала отходящих газов от вида восстановителей и режимов работы печей.
Наиболее крупные рудовосстановительные печи работают в режиме непрерывного углетермического процесса, при котором в качестве восстановителей используются различные материалы, содержащие углерод. Выбор восстановителей производится исходя из технологических и экономических критериев. При этом любые углеродосодержащие материалы рассматриваются только как восстановители. Учет энергетического потенциала шихтовых материалов позволяет более успешно решать задачи повышения энергоэффективности работы рудовосстановительных печей.
При восстановлении оксидов углеродом суммарные эндотермические реакции процессов, происходящих в ванне, можно записать в виде:
2/уМехОу + 2С = 2х/уМе + 2СО - 0, (1)
2/уМехОу + (2 + 2х^) С = 2х/у2Ме2Су + 2СО - (2)
Первая реакция отражает процесс восстановления оксидов углеродом, вторая - процесс образования карбидов восстановленного элемента, которые вызывают загрязнение полученного продукта углеродом. Такие процессы происходят при получении сплавов кремния и углеродистых ферросплавов.
Особенностью углевосстановительных процессов является образование большого количества газов, масса которых составляет до 70% от массы загружаемых в ванны шихтовых материалов (табл. 1). Чем выше содержание кремния в сплаве, тем больше выход газов [1, 8, 9].
Таблица 1
Материальный баланс выплавки ферросилиция ФС-75
Приход кг. % Расход кг %
1. Кварцит 1786 61,6 1. Сплав 1000 34,50
2. Коксик 840 28,97 2.Шлак и пыль 28 0,96
3. Стружка 223 7,7 3. Газы 1871 64,54
4. Электродная масса 50 1,72
Итого 2899 100 Итого 2899 100
Основная часть газов образуется при восстановлении углеродом оксидов по реакциям (1) и (2). В результате этих реакций основная часть углерода уходит из рабочей зоны ванн в виде газа - оксида углерода и лишь небольшая часть углерода из шихтовых материалов переходит в сплав в составе карбидов.
На колошнике печи часть восстановителя окисляется:
С + О2 = СО2 + 409 Мдж,
2С + О2 = 2СО + 247 Мдж
Углекислый газ реагирует с раскалённым углеродом:
СО2 + С = 2СО - 162 Мдж.
Источником образования водорода является влага шихтовых материалов, а также пиролиз органических компонентов восстановителей. Концентрация водорода в отходящих газах определяется влагосодержанием шихты, температурой и составом газовой фазы в реакционной зоне печи.
Пары воды из шихты, вовлекаясь в газовый поток, реагируют с углеродом и оксидом углерода с образованием водорода и углекислого газа:
С + Н2О = СО + Н2 - 119 Мдж, СО + Н2О = СО2 + Н2 + 44 Мдж.
При высокой температуре в ваннах происходит пиролиз органических составляющих шихтовых материалов, образующиеся при пиролизе горючие газы уходят из ванны. Смолистые вещества при высокой температуре превращаются в газы. При использовании в качестве восстановителя коксика масса пиролизных газов составляет 3-5% от массы коксика, при использовании каменного угля масса пиролизных газов может составлять 10-30%, древесных отходов - до 60%. Пиролизные газы содержат водород и углеводороды. Из табл. 2 видно, что в состав колошникового газа входят такие горючие компоненты, как оксид углерода, водород и углеводороды.
Состав колошникового газа ферросплавных печей
% ФС-90 ФС-75 ФС-45
СО 91.5 83.3 80-88
Н2 2.0 6.2 3-7
СО2 4.5 5.1 2-4
СН4 1.5 1.4 0.3-0.7
Низшая теплота сгорания колошникового газа составляет 11,3-11,35 МДж/м3. Удельные расходы электроэнергии и шихтовых материалов при производстве ферросилиция зависят от содержания кремния в сплаве (табл. 3).
Таблица 3
Расход материалов и электроэнергии на 1 т ферросилиция различных марок по данным [2, 3]
Шихтовые материалы ФС-18 ФС-45 ФС-75 ФС-90
Кварцит, кг 410-480 1000-1050 1750-1800 2600
Железная стружка, кг 820-900 580-620 190-220 20
Коксик, кг 200-280 450-500 820-860 1200
Электроэнергия, кВт.ч 2000-2200 4500-5000 8500-9000 12000
Статистическая обработка приведенных в литературе данных по материальным балансам печей для производства ферросилиция [1, 7, 9, 10] показала, что в пределах содержания кремния в сплаве 20-90% удельный расход электроэнергии ц> пропорционален процентному содержанию кремния в сплаве [&]
™ = кк [&'].
При этом удельный расход коксика тс также пропорционален процентному содержанию кремния в сплаве:
тс=К N.
Удельный выход реакционного газа V р пропорционален расходу коксика:
Ур = кртс-
Производительность печи по ферросплаву G:
Р Р
= а = пол
V ™Пэп
где Ра - активная мощность, Рпол - полезная мощность, пэл - электрический к.п.д. Расход коксика:
Р к к
■1 И/1П"'/’"' Г)
М с = От„ = -
ПэлК
Для выхода реакционного газа получается выражение:
P k k
т т ITS пол/V С^ p
Vp = kpMc =■ F
ppc
ПэпК
При подстановке в (3) численных значений получим:
Vp = 0,178Pa
На 1 кВт активной мощности должно выделяться 0,178 нм3 реакционного газа, при характерном для ферросплавных печей электрическом к.п.д. 86-88% на 1 кВт полезной мощности должно выделяться 0,202-0,207 нм3 реакционного газа.
Таким образом, выход реакционного газа при любом содержании кремния в сплаве оказывается пропорциональным полезной мощности печи. Это полностью согласуется с приведенными в [8] результатами исследований на действующих печах, которые показали, что между газопылевыми выбросами, электрическими параметрами и режимами работы ферросплавных печей имеется тесная взаимосвязь. Зависимости объема отходящих от печей сухих газов от полезной фазовой мощности описываются линейными выражениями
Уг = а + Ь Рф,
где Уг - объем отходящих от печи сухих газов; Рф - полезная фазовая мощность кВт; а и Ь - коэффициенты, зависящие от выплавляемого сплава и геометрии печи. Рассчитанный по этим зависимостям объем газов печей для производства ферросилиция различных марок составляет 0,18-0,19 нм3 на 1 кВт полезной мощности, с учетом электрического к.п.д. на 1 кВт активной мощности выход газов составит 0.205-0,216 нм3. Количество печного газа несколько превышает теоретический объем реакционного газа, рассчитаный исходя из реакций восстановления оксидов, вследствие выделения газов из шихтовых материалов
При полном сгорании реакционного газа тепловая мощность равна
Р к к
Р = уон = пол с р Он (4)
тепл р^р ] 2^р ’ V V
Цэяк-И>
где Он - низшая теплота сгорания реакционного газа.
Согласно (4) отношение тепловой мощности сгорания реакционного газа к потребляемой из сети активной мощности:
Р кскр
Ррш =_^он. (5)
Ра кк>
При подстановке численных значений получим:
Р
тепл. = 0,56.
Ра
Таким образом, тепловая мощность при сгорании реакционного газа составляет 56% от потребляемой из сети активной мощности. При температуре отходящего печного газа 600°С физическая теплота газа составляет около 9% от его химической энергии. Количество печного газа превышает объем реакционного газа, рассчитанного исходя из реакций восстановления оксидов, ввиду выделения газов из шихтовых материалов.
Из табл. 4, в которой приведен энергетический баланс выплавки ферросилиция ФС-75 в укрытой печи, видно, что газы, образующиеся при выплавке ферросилиция, играют существенную роль в энергетическом балансе печи.
Основными статьями прихода энергии в ванну печи является электроэнергия, которая преобразуется в тепловую энергию в электрических дугах, при
растекании тока по материалам ванн, а также потенциальная энергия коксика. В результате восстановительных реакций потенциальная энергия коксика преобразуется в потенциальную энергию оксида углерода, который уносит большое количество энергии в виде физического тепла и химической энергии.
Таблица 4
Энергетический баланс на 1 тонну ферросилиция ФС-75 по данным [7,12]
Статьи баланса Энергетические составляющие
ГДж %
Приход
Преобразование электроэнергии в тепловую 28, 41 47,7
Физическое тепло шихты 0,061 0,1
Потенциальная энергия восстановителя
и электродной массы 27,58 46,3
Тепловые эффекты экзотермических реакций 3,51 5,9
Всего 59,856 100
Расход
Тепловые эффекты эндотермических реакций 26,87 45,1
Тепло, унесенное:
сплавом 2,14 3,6
шлаком 0,116 0,2
испаряющейся влагой 0,35 0,6
испаряющимся кремнием 0,714 1,2
Физическое тепло печных газов 1,43 2,4
Потери тепла кожухом печи и излучением
колошника 11,38 19,1
Потенциальная энергия печных газов 16,26 27,3
Всего 59,56 100
Из энергетического баланса следует, что отношение потенциальной энергии печных газов к потенциальной энергии углеродистого восстановителя составляет 0,59, при газификации углеродистых материалов в газогенераторах с воздушным дутьем теоретический к.п.д. газификации (отношение теплоты сгорания газа к теплоте сгорания твердого топлива) равен 70%. Отношение потенциальной энергии печных газов к электрической энергии составляет 0,57, что согласуется с (5). Таким образом, энергия, уносимая печным газом, составляет более половины энергии, потребляемой из сети, поэтому утилизация энергии печного газа может дать существенный экономический эффект.
Высокая запыленность печного газа требует обязательной очистки его от мелкодисперсной пыли. Составляющими пыли кроме механического уноса являются конденсаты, выпадающие из газовой смеси и образующиеся в результате превращений по следующим реакциям:
Й02 + С ^ ЙО + СО(г);
ЙО + 2С ^ СО(г) + ЙС; йС(т) + ЙО ^ 2й + СО; йС(г) + 28Ю2(ж) ^ 2 СО + 28Ю(г);
ЙО2 + 2С ^ й + 2СО.
В укрытых печах отходящий газ сгорает на колошнике под низким зонтом. Печной газ характеризуется высокой адиабатной температурой горения (более 2000°С), поэтому при сжигании под низким зонтом необходим большой избыток воздуха для обеспечения работы элементов конструкции печи и системы газоочистки. Дымовые газы охлаждаются путем разбавления большим количеством воздуха (коэффициент избытка воздуха равен 30-80), очищаются от пыли и выбрасываются в атмосферу. При этом вся энергия газов теряется. Система газоочистки должна пропускать объем дымовых газов, в десятки раз превышающий объем выходящих из ванны газов.
При использовании конвективных котлов-утилизаторов в укрытых ферросплавных печах газ может сгорать под зонтом при коэффициенте избытка воздуха, равном 2,5-3, тогда температура дымового газа снижается до 800-850оС. В котле-утилизаторе дымовой газ может быть охлажден до 120оС, что позволяет использовать для очистки от пыли рукавные фильтры из специально обработанной стеклоткани. Это повышает эффективность очистки и снижает её стоимость по сравнению с мокрой или электростатической очисткой. В котлах-утилизаторах можно получить пар с низкими (р = 1,4 МПа и ^ = 300°С), средними (р = 4,5 МПа и ^ = 450°С) и высокие параметрами (р = 10 МПа и I = 550оС.)
В закрытых печах газы отводятся из-под свода в газоход, при этом физическое тепло и химическая энергия могут быть использованы в обжиговых печах или котлах-утилизаторах с топкой.
Анализ энергетического баланса показывает, что при использовании в качестве восстановителя коксика тепловая мощность котла-утилизатора может составлять 50-52% от активной мощности печи. При использовании в качестве восстановителей каменного угля и древесных отходов объем печных газов возрастает вследствие увеличения содержания горючих продуктов пиролиза. При этом возрастает и тепловая мощность котла-утилизатора.
Выводы. В общем энергетическом балансе рудовосстановительных печей, работающих углетермическим процессом, потенциальная энергия восстановителя составляет почти половину прихода энергии.
При любом содержании кремния в ферросилиции уносимая печным газом энергия составляет 55-57% от потребляемой электроэнергии.
Ферросплавные печи являются крупными источниками высокопотенциальных тепловых ВЭР в виде энергии печных газов, которую целесообразно использовать в котлах-утилизаторах. Тепловая мощность котлов-утилизаторов составляет не менее 50% от активной мощности печи.
Применение котлов-утилизаторов позволяет существенно снизить температуру подлежащих очистке дымовых газов без разбавления их большими объемами воздуха. Это позволяет резко уменьшить объем газов, снизить энергозатраты на их очистку и использовать для улавливания пыли эффективные рукавные фильтры. Мелкодисперсная пыль из рукавных фильтров (микросилика) является товарным продуктом и применяется при производстве строительных материалов.
Литература
1. ГасикМ.И. и др. Теория и технология производства ферросплавов. М.: Металлургия, 1988.
2. Данцис Я.Б. Методы электротехнических расчетов руднотермических печей. Л., 1973.
324 с.
3. Ершов В.А., Данцис Я.Б., Жилов Г.М. Теоретические основы химической электротермии. Л., 1978. 335 с.
4. Жилов Г.М. и др. Методические рекомендации по определению распределения энергии в ваннах печей химической электротермии/ ЛенНИИгипрохим. Л., 1985.40 с.
5. Миронов Ю.М., Тарасов В.А., Розенберг В.Л. Принципы аналитического расчета электрических полей неоднородных ванн многоэлектродных печей // Электричество. 1984. №5. С. 64-67.
6. Миронов Ю.М., Тарасов В.А., Попов А.Н., Валькова З.А. Современные аналитические. методы расчета электрических параметров электропечей с применением ЭВМ // Рудовосстановительные печи: Сб. научн. трудов ВНИИЭТО. М.: Энергоатомиздат, 1988.
7. Никольский Л.Е., Бортничук Н.И., Волохонский Н.А., Розенберг В.Л., Кацевич Л.С. Промышленные установки электродугового нагрева и их параметры. М.: Энергия, 1971. 272 с.
8. Розенберг В.Л., Вальберг А.Ю. Рудовосстановительные электропечи. Энергетические показатели и очистка газов. М.: Энергия, 1994. 103 с.
9. РыссМ.А. Производство ферросплавов. М.: Металлургия, 1985.
10. Струнский Б.М. Руднотермические плавильные печи. Л., 1972. 368 с.
11. Электротермические процессы химической технологии / Под ред. В.А. Ершова Л., 1984. 464 с.
12. Электротермические промышленные печи. Дуговые печи и установки спецнагрева / Под ред. А.Д. Свенчанского. М., 1981. 296 с.
ТАРАСОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ родился в 1948 г. Окончил Чувашский государственный университет. Кандидат технических наук, доцент кафедры АЭТУС Чувашского университета. Область научных интересов - исследования электромагнитных и тепловых полей, повышение энергоэффективности технологических установок. Автор 95 научных публикаций.
