Анализ возможности энергетической модернизации теплотехнологии переработки сидеритовых руд с применением газовых турбин Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 662.987.2

Мурзадеров А.В., Нешпоренко Е.Г.

АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МОДЕРНИЗАЦИИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИИ ПЕРЕРАБОТКИ СИДЕРИТОВЫХ РУД С ПРИМЕНЕНИЕМ ГАЗОВЫХ ТУРБИН

Аннотация. В работе рассматривается вопрос возможности применения газотурбинной установки в тепловой технологии обжига сидеритовой руды. Проанализировано потребление электрической энергии на действующем предприятии для определения требуемой мощности, которая составила 10,25 МВт. Составлена математическая модель процесса горения природного газа в камере сгорания газовой турбины с последующим использованием отработавших продуктов сгорания в печи обжига сидеритовой руды. Получено, что для обеспечения собственной электрической энергией потребуется установить пред двумя печами две газовых турбины мощностью по 5 МВт каждая. Это приведет к возрастанию расхода топлива предприятием, но позволит исключить закупку электрической энергии из внешних сетей, что приведет к снижению себестоимости конечной продукции.

Ключевые слова: теплотехнология, сидеритовая руда, обжиг, электропотребление, газовая турбина, энергосбережение, расход топлива

Введение

Бакальское месторождение железных руд является одним из крупнейших в России. Основу минеральных ресурсов месторождения составляет сидеритовая руда, которая по месту добычи проходит технологические стадии обработки дроблением, классификацией, окислительным обжигом и последующей магнитной сепарацией с получением концентрата обожженного сидерита (КОС).

Энерготехнологический комплекс предприятия представлен шахтными печами для обжига сидерито-вых руд. Обжиг сидеритовой руды осуществляют продуктами сгорания природного газа при температуре 1000-1100°С. Для достижения требуемых температур природный газ сначала сжигают с воздухом с коэффициентом избытка 2,2. Продукты сгорания из камеры сгорания по кернам с жаровыми каналами поступают в центр шахтной печи, где смешиваются с подсасываемым из зоны охлаждения воздухом. Таким образом, суммарный коэффициент избытка воздуха составляет 3,0 [1].

Шахтная печь для обжига сидеритовой руды организована по принципу противотока движения теплоносителя, направляемому снизу вверх, и технологического материала, направляемого сверху в низ. Проходя зону обжига, технологический материал попадает в зону воздушного охлаждения находящуюся ниже уровня керна с жаровыми каналами подвода греющего теплоносителя.

Следует отметить, что теплотехнология обжига сидеритовых руд на Бакальском предприятии ведется по двум тепловым схемам: с регенерацией теплоты обожженного технологического материала и по схеме без регенерации. При этом расход природного газа, приведенный к конечному КОС, после обжига и магнитного обогащения при результирующей степени

© Мурзадеров А.В., Нешпоренко Е.Г., 2019

извлечения железорудного материала 0,59 [1] составляет для первого варианта составляет около 30 м3, для второй схемы - около 50 м3 на тонну концентрата.

По данным технической эксплуатации печей [1] можно определить энергетическую эффективность использования первичного энергетического ресурса в пределах обжиговой печи, которая составляет 41,5%, при этом физические тепловые потери с отходящими газами составляют 45,3% с температурой до 600°С.

Электрическая энергия используется на всем этапе подготовки руд к обогащению (бурение, экскавация, транспорт), но особенно много на измельчение и дробление - до 40-60 кВтч/т [2]. В процессе обогащения также потребляется значительное количество электрической энергии. Например, обогатительная фабрика в составе горно-обогатительного комбината (ГОК) в целом потребляет электроэнергии 65-80 кВтч/т руды. Если учесть затраты на карьерные работы и вывоз руды, освещение объектов и другие вспомогательные нужды, то можно оценить общие затраты электроэнергии на ГОК величиной порядка 80-100 кВтч/т руды.

Следует отметить, что рудодобывающие и обогатительные предприятия находятся, как правило, вдали от городской инфраструктуры и электрических станций, поэтому производство электроэнергии на станции превышает потребление энергии на предприятии на величину потерь при ее транспорте и распределении. Потребитель же (предприятие) оплачивает всё, в том числе и потери электрической энергии при транспорте.

Фактические суммарные потери электроэнергии в российских сетях приблизительно оцениваются в 13,1%, при этом значительная часть потерь электроэнергии (около 20%) не учитываются Росстатом. В отдельных распределительных линиях 0,4-10,0 кВ распределительных сетевых компаний (РСК) фактические относительные потери электроэнергии достигают 30-40% [3].

Таким образом, можно оценить суммарные потери электроэнергии от станций до ГОК в 15-20%. То есть

для потребления 80-100 кВтч/т руды в добывающем и обогатительном комплексе от станций должно быть отпущено около 100-120 кВтч электрической энергии.

В настоящее время интенсивно развивается рынок газотурбинных установок (ГТУ), которые в первую очередь предназначены для выработки электрической энергии. Как правило, ГТУ работают по связке с котлом-утилизатором, который встроен в классический цикл систем генерации электрической энергии. Коэффициент полезного действия современных ГТУ достигает 35-40% при рабочей температуре рабочего тела 1300^1600°С на входе. При совместном включении ГТУ с котлом-утилизатором в схему тепловой электрической станции тепловой коэффициент полезного действия повышается до 55-60%.

Рассматриваются варианты включения газовых турбин как надстройку над другим энергетическим циклом или для использования вторичных энергетических ресурсов основного технологического процесса, однако практически не рассматривается вопрос включения газовой турбины перед технологическим процессом. Вероятно, это обусловлено низкой температурой отходящих газов из газовой турбины 450-600°С [4].

Следует отметить, что в действующей тепловой технологии обогащения сидеритовой руды её обработка осуществляется продуктами сгорания природного газа при температуре 1000^1100°С. Таким образом, если рассматривать вариант включения газовой турбины как надстройку над печью для обжига сидеритовой руды, то при этом требуется повысить температуру отходящих газов из газовой турбины 450-600°С до требуемого значения в 1000 - 1100°С. Для этого необходимо составить математическую модель процесса горения топлива, позволяющую по заданным исходным параметрам системы рассчитать основные компоненты газообразных продуктов, выходящих из газовой турбины, а также рассчитать требуемое дополнительное количество топлива для повышения температуры газообразных продуктов до температуры 1100°С, которая задан на технологией обжига сидеритовой руды [1, 5].

В процессе сгорания топлива, поступающего в газовую турбину, образуются продукты его сгорания с температурой около 2000°С, которые разбавляют воздухом для понижения до требуемой температуры рабочего тела ГТУ. Основные компоненты газообразного природного топлива приведены в таблице.

Основные компоненты газообразного природного топлива

Компоненты топлива CnHm H2S CO H2O Ш2 N2

Обозначение Ь с а е / Я

Пример, объёмные доли компонентов 0,95 0,01 0,0 0,0 0,01 0,02 0,01

В процессе горения принимают участие следующие компоненты топлива: СДп, H2S, ТО. Соответственно реакции полного окисления приведённых компонентов запишутся следующим образом:

£ а (с, Нт)+£ а I п + т I (о2+d^ N2)

1=1 1=1 V 4 у

= |£ (а 1 ■ п 1 )\( С02 ) + |£ (а 1 • т\\( Н 2О')-

. 1=1

1=1

+£ а|п + т \ (N2);

Ь (Н2) + 0,5 • Ь (О2 + ) = = Ь (Н2О') + 0,5 • Ь • (N2); с ( Н28) +1,5 • с ( О2 + ) = = с(Н2О') + с(8О2) +1,5• с• (N2); й ( СО) + 0,5 • й (О2 + N ) = = й(СО2) + 0,5• й• (N2).

(1)

(2)

(3)

(4)

Общее уравнение образования продуктов полного сгорания топлива с учетом избытка окислителя можно записать следующими уравнениям:

- баланс исходных компонентов газообразного топлива

£ а (с, Нт,)+ь (Н2)+с (н^)+

1=1

+й (СО) + е (Н2О) + / (СО2) + % (N2) = 1;

- расход окислителя на процесс горения

У0к = а • А • (1 + ^),

(5)

(6)

где а - коэффициент избытка окислителя; - отношение содержания балластных газов (азот) к кислороду в окислителе (для воздуха = 79/21 = 3,762); параметр А

А = £ |п

1=1

т

4

Л

• а + 0,5 • Ь +1,5 • с + 0,5 • й

. (7)

Тогда объём образующихся газообразных продуктов реакции горения топлива заданного состава составит

УПс = (£(аг • п) + й + /!(С02) +

. ¿=1

( к

+

£( а 1 • т } + Ь + с + е ^ Н20') +

+с (БО2) + А •( а -1)( 02) +

+а• ёN2 •(А + %)(N2).

(8)

В результате полного окисления компонентов природного газа образуются новые соединения, которые смешивают с дополнительным окислителем (воздухом) для достижения заданной начальной температуры газов на входе в газовую турбину. Затем продукты смешения срабатываются и выходят из газовой турбины с заданной конечной температурой. Данный процесс можно описать путем составления материального и энергетического балансов с использованием констант равновесия, диссоциации и атомизации с применением фундаментальных академических данных [6].

При этом в продуктах могут присутствовать следующие компоненты: СО'=хь СО2'=x2, СН4'=х3, Н2О'=х4, ОН'=х5; Н2'=x6, О2'=x7, SO2'=x8, H2S'=x9, N2'=Xl0, а их распределение между собой зависит от температурного уровня и давления в системе. При относительно низких температурах горения (ниже 2500°С) атомарным состоянием отдельных элементов можно пренебречь [7]. Тогда материальный баланс по каждому элементу, входящему в уравнение (5), запишется таким образом:

баланс по углероду

а1 ■ ni ) + d + f = Х1 +X2 +x3

баланс по водороду

а • m ) + 2• b + 2• с + 2• e =

i=i

= 4 • x3+2 • x2+x5+2 • x6+2 • x9;

баланс по кислороду

d + e + 2 • f + X о, ^ n, + m J( O2 ) = = Xj+2 • x2+x4+x5+2 • x7+2 • x;

баланс по сере:

баланс по азоту

с = x0

2 • g = 2 • xi

kpb,(t ) =

kH,O (T)• kco (T) x7 • Xi

kH2 (T )• kCO2 ( T ) X 6 • X 2

(14)

Реакция диссоциации водяных паров на молекулярные газы и соответствующая ей константа равновесия

KPiH2O (T ) =

k^o ( T)

(15)

^ (I)• к0г (IГ х4

Реакция диссоциации водяных паров с образованием гидроксида и соответствующая ей константа равновесия

KP2.o (T) =

kH2O ( T)

koH (ty kH2 (T)

X + X + X,

(16)

Константа равновесия химической реакции паровой конверсии метана может быть записана через константы атомизации веществ и через объемы компонентов системы с учетом давления

ЧЛT ) =

kCH4 (T)• kH2O (T)_ Xi • X6

kco (T)• ^ (T) X3 • X4 lXi + X3 + X4 +

(17)

(9)

Константа равновесия химической реакции полного окисления сероводорода, записанная через константы атомизации веществ и объемы компонентов системы с учетом давления:

KPCB (T) =

kHiS (TVkO5 (T) _ x8 • X4

kSO2 (kH2O (T) X9 • X75

X. + X-, + x0 + xn

(18)

(10)

(11)

(12)

(13)

Продукты реакции (5) в зависимости от температуры и давления системы распределятся между собой в соответствии с константами равновесия простых реакций, которые охватывают все продукты. Поскольку химических элементов, составляющих продукты сгорания 5 (С, Н, O, S, К), а самих продуктов сгорания 10, то система уравнений будет состоять из пяти уравнений материального баланса и 10-5=5 уравнений констант равновесия. Для записи констант равновесия можно воспользоваться химическими реакциями, в которые входят продукты реакции горения, например реакцией водяного газа, и соответствующая ей константа равновесия запишется:

Таким образом, составлена система из 10 уравнений с 10-ю неизвестными, которые описывают процесс горения и разбавления топлива в камере сгорания газовой турбины в полном объеме. Решая совместно уравнения (9)-(18), при заданной конечной температуре продуктов реакции, рассчитывают их количество.

Современные газовые турбины имеют широкий диапазон варьирования исходного давления газового топлива и окислителя (воздуха) в камере сгорания, как правило, в пределах от 0,15 до 1,5 МПа. Расход топлива данной системы уравнений необходимо увязать с теплопотреблением процесса обработки сиде-ритовой руды, а также с температурным уровнем газов, выходящих за турбиной и далее поступающих в печь для обжига сидеритовой руды.

Современные печи для обжига сидеритовой руды, установленные на Бакальском предприятии, имеют производительность 10 т/ч по сырой руде. То есть для процесса обжига требуется иметь в системе не менее 13,5 ГДж теплоты, которая подводится с топливом (источником тепловой энергии). Следует отметить, что при учете производительности печи мощность теплового источника составит не менее 3,75 МВт. С учетом реальной температуры отходящих газов из печи, равной 250-300°С [1] (то есть будет иметь место неполное использование теплоты топлива), величина мощности теплового источника энергии будет несколько выше, что приведет к возрастанию расхода первичного топлива.

0.5

0.5

0,5

X

4

1=1

0.5

k

В принятых условиях проведенные термодинамические расчеты позволили определить требуемый расход природного газа для обеспечения процесса генерации электрической энергии с применением газотурбинной установки и для последующего процесса обжига сидеритовой руды.

Термодинамические расчеты показывают, что для обеспечения работы одной печи для обжига сиде-ритовой руды с предвключенной газотурбинной установкой требуется повышение расхода топлива с 50 до 144 м3/т. При этом газотурбинная установка позволит вырабатывать 5000 кВтч электрической энергии, что покроет 48% потребностей в электроэнергии предприятия. Таким образом, установка двух предвклю-ченных ГТУ позволит практически полностью обеспечить предприятие собственной электроэнергией. При капитальных затратах 520 млн руб. на встраивание двух ГТУ в схему предприятия проект окупится за 3 года 8 месяцев.

Список литературы

1. Оценка эффективности тепловой работы шахтной печи для обжига сидеритовой руды / В.И. Матю-хин, В.В. Шацилло, А.В. Кузнецов и др. // Металлург. 2017. №1. С. 16-22.

2. Абзалов Р.Ф., Заслов А.Я., Лисовик Л.К. ЭлектроСведения об авторах

оборудование и электроснабжение горных предприятий. 2-е изд. М.: Недра. 1977. 295 с.

3. Савина Н.В., Барабаш Д.А. Комплексный анализ потерь электроэнергии в распределительных электрических сетях напряжением 10-35 кВ на примере Амурской области // Вестник ИрГТУ. 2010. №10. С. 166-173.

4. Зысин Л.В. Парогазовые и газотурбинные тепловые электростанции. С-Пб.: Изд-во Политехн. унта, 2010. 368 с.

5. Мурзадеров А.В., Картавцев С.В., Нешпоренко Е.Г. Совершенствование энергетики теплотехно-логии переработки сидеритовых руд // Промышленная энергетика. 2017. № 10. С. 42-50.

6. Термодинамические свойства индивидуальных веществ. Справочное издание: в 4-х т. Т.1, Кн.2./ Л.В. Гурвич, И.В. Вейц, В.А. Медведев и др. 3-е изд., перераб. и расширен. М.: Наука, 1978. 328 с.

7. Пашков Л.Т. Основы теории горения. М.: Изд-во МЭИ, 2002. 136 с.

8. Хроматографический анализ газовой фазы, образующейся при «мягком» обжиге высокомагнезиальной сидеритовой руды / Р.Н. Абдрахманов, С.П. Клочковский, И.А. Савченко, А.Н. Смирнов // Теория и технология металлургического производства. 2013. №1 (13). С. 13-15.

Мурзадеров Артём Вячеславович - инженер, ПАО «ММК», магистр, E-mail: murzaderov1994@mail. ru

Нешпоренко Евгений, Григорьевич - канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова», Магнитогорск. E-mail: neshporenkoeg@mail.ru

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

ANALYSIS OF POSSIBILITY OF ENERGY MODERNIZATION OF THE PROCESSING SIDERITE ORES TECHNOLOGY WITH THE USE OF GAS TURBINES

Murzaderov A.V. - engineer, PJSC «MMK», magister, Magnitogorsk, Russian Federation.

Neshporenko E.G. - PhD (Eng.) Associate Professor, of Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation.

Abstract: The paper deals with the possibility of using a gas turbine plant in the thermal technology of siderite ore firing. The consumption of electric energy at the operating enterprise is analyzed to determine the required power, which amounted to 10.25 MW. A mathematical model of the combustion process of natural gas in the combustion chamber of the gas turbine followed by the use of exhaust products in the combustion furnace siderite ore. It was found that to provide its own electric energy, two gas turbines with capacity of 5 MW each, must be installed in front of two furnaces. This modernization will lead to an increase in fuel consumption by the enterprise, but will eliminate the purchase of electricity from external networks, which will reduce the cost of the final product.

Key word: thermal technology, siderite ore, firing, electricity consumption, gas turbine, energy saving, fuel consumption

Ссылка на статью:

Мурзадеров А.В., Нешпоренко Е.Г. Анализ возможности энергетической модернизации теплотехнологии переработки сидеритовых руд с применением газовых турбин // Теория и технология металлургического производства. 2019. №3(30). С. 8-11.

Murzaderov A.V., Neshporenko E.G. Analysis of possibility of energy modernization of the processing siderite ores technology with the use of gas turbines. Teoria i tecnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2019, vol. 30, no. 3, pp. 8-11.