CC BY
14
ВЕСТНИК
ПРИАЗОВСКОГО ГОСУДАРСТВЕННОГО ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА
2000г. Вып.№9
УДК 669:662.69
, Сущенко А.В.1
ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ СПОСОБЫ ОТОПЛЕНИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ
Определены перспективные направления повышения эффективности использования топлива в металлургических агрегатах. Разработаны, опробованы и внедрены в производство новые энергоресурсосберегающие способы и режимы отопления агрегатов с факельным отоплением, позволяющие существенно уменьшить удельные расходы энергоносителей, расширить возможности управления технологическими процессами и снизить вредные выбросы в окружающую среду.
В настоящее время черная металлургия Украины по ряду таких важнейших показателей, как полная сквозная энергоемкость продукции, интегральный коэффициент использования топлива, удельные (на тонну продукции) выбросы предприятий в окружающую среду и др., значительно отстает не только от ведущих зарубежных стран, но и от черной металлургии России [Г, 2]. Так, расход энергии даже на лучших отечественных агрегатах - в 1,3-1,5 раза больше, чем на аналогичных зарубежных [3]. Это связано с использованием устаревшего и изношенного оборудования, слабым внедрением современных энергоресурсосберегающих технологий.
Наиболее низкие показатели эффективности использования энергии традиционно имеют высокотемпературные металлургические агрегаты с факельным отоплением, такие как мартеновские и нагревательные печи, стенды для сушки и разогрева футеровки ковшей различных типов и т.п. Эти агрегаты должны быть в ближайшее время заменены более современными (возможно с принципиальным изменением протекающих в них теплотехнологических процессов), либо модернизированы с целью повышения эффективности использования топлива. По данным 11.21 в сталеплавильном производстве Украины в эксплуатации находятся 76 мартеновских печей, в которых при низких значениях коэффициента использования топлива (КИТ) и высоких уровнях загрязнения окружающей среды выплавляется более 50 % производимой в стране стали Вместе с тем, по мнению ведущих экспертов, в связи с отсутствием на комбинатах достаточных финансовых средств, перспектива закрытия мартеновских цехов в настоящее время и в ближайшие 5-10 лет является нереальной [1]. В связи с вышеизложенным, вопросы совершенствования способов и режимов отопления металлургических агрегатов, в частности мартеновских печей, с целью сокращения удельного расхода энергии и снижения вредных выбросов в окру жающую среду, на базе беззатратных и малозатратных мер, в настоящее время для Украины имеют приоритетное значение.
Одним из перспективных направлений повышения эффективности использования топлива является организация, так называемого, управляемого теплообмена в рабочем пространстве агрегата [4 и др. |. При факельном отоплении она может быть реализована с помощью периодического (цикличного) изменения: длины и ориентации факела, величины соотношения "топливо-воздух", кратности рециркуляции продуктов сгорания, расхода топлива (тепловой нагрузки) и др. Причем, последний способ, на наш взгляд, наиболее прост в реализации, т.к. позволяет использовать существующие системы подачи топлива в агрегат при малозатратной модернизации их систем автоматизации. На рис.1, в качестве примера, представлены некоторые наиболее характерные варианты реализации цикличного (в научно-технической литературе его чаще называют импу льсным) отопления посредством периодического изменения расхода энергоносителя (тепловой нагрузки агрегата). Варианты импульсной (рис.1,а) и гармонической (рис.1,6) пода-
1 ПГТУ, ст. научный сотрудник.
гата: а) импульсная; б) гармоническая; в) импульсно-гармоническгя (смешанная); г) импульсная с переменной скважностью импульсов;
Упвх, УИ11П \/ср - максимальный, минимальный и средний (за цикл) расход энергоносителя соответственно; Атшах, Дтт1П - длительность периодов подачи энергоносителя с максимальным и минимальным расходом соответственно; Атц - длительность цикла; Дтр - длительность переходного периода (изменения расхода от Утах до У,ГЦ11 и наоборот); Дть Дт2 - длительность периодов подачи энергоносителя с увеличенным и уменьшенным его расходом соответственно.
чи топлива являются крайними случаями, обеспечивающими соответственно наиболее резкое и наиболее плавное изменение аэродинамических и радиационных характеристик факела и параметров теплообмена в системе. При этом в результате целенаправленного управления тепловым потоком, передаваемым к поверхности объекта полезного тепловосприятия (ОПТ), в соответствии с изменяющимся внутренним тепловым сопротивлением последнего по ходу технологического процесса, увеличением поверхности, а также интенсификации коэффициентов лучистого и конвективного теплообмена между ОПТ и продуктами сгорания топлива, имеет место уменьшение тепловых потерь в окружающую среду, повышаются КПД и КИТ агрегата. Кроме того, снижается неравномерность распределения температуры по поверхности и объёму ОПТ, расширяются возможности управления технологическим процессом.
В соответствии с выбранным направлением, сотрудниками ПГТУ совместно с инженерно-техническими работниками ОАО "МК "Азовсталь"1 были разработаны, опробованы и внедрены в производство (в мартеновском цехе МК "Азовсталь") энергоресурсосберегающие способы и
1 В работе принимали участие работники ОАО "МК "Азовсталь": Травинчев А.И., Воробьёв A.B., Буш-нев А.Я., Березников А.П., Таушан И.И., Хазнафёров M.JL, Койфман A.A., Гаврилюк A.B., Старостина А.М., Савиченков А.Н., и сотрудники ПГТУ: Безчерев A.C., Хииш Л.И.
режимы отопления мартеновских печей (МП) и стендов для сушки и разогрева сталеразливоч-ных ковшей (ССРСК). Новые способы отопления основаны на использовании периодической (цикличной) подачи энергоносителей (природного газа - для ССРСК и природного газа, мазута и кислорода - для МП) в рабочее пространство агрегата, а также специального режима "термостатической паузы" - "ТП" (для МП). Режим "ТП" заключается в периодической изоляции рабочего пространства печи и обеих регенеративных насадок от дымовЬй трубы (путем одновременного закрытия обоих дымовых шиберов системы реверсирования факела) при практически полном прекращении подачи энергоносителей в печь и по своей сути также может быть отнесен к способам цикличного отопления агрегатов.
Оптимальные значения режимных параметров новых способов отопления (амплитуда измерения расхода - ДУ=(Утах - Утт), Атшах и Д-стт, длительность "ТП" - Дттп и др.) определялись на основе математического моделирования и энергооптимизации теплообменных процессов в системах "факел - футеровка ковша - крышка - отходящие газы" и "факел - металлический расплав (металлическая шихта) - шлак - свод печи - отходящие газы", а впоследствии уточнялись в процессе опытно-промышленных испытаний.
Разработанная (достаточно простая и надежная) система ПО для ССРСК была выполнена на основе электроклапана, установленного на байпасной линии природного газа перед горе-лочным устройством, и системы автоматического управления работой электроклапана. Опытно-промышленное опробование новых режимов было проведено на 220-т сталеразливочных ковшах с набивной и кирпичной футеровкой [5]. В качестве примера, на рис.2 представлены результаты сравнительного эксперимента по исследованию одновременной (синхронной) сушки монолитной футеровки двух одинаковых сталеразливочных ковшей (№ 10 и № 24) на двух газогорелочных стендах, один из которых был оборудован системой ПО. При этом процесс интенсивного выделения пара из выпарных отверстий на обоих ковшах начался практически одновременно. Спустя четыре часа после начала "парения", при расходе природного газа на стендах 80 м3/час, на ковше № 24 был включен режим ПО (Утах = 80 м3/час; характерная частота импульса - V = 14;3-КГ3 с"1, у = ДттП/(Дтт;п+Дхтах) = 0,17 - первые 2,5 часа после включения ИО и V = 12,5' 10"3 с"1, у = 0,33 - остальное время).
Испытания показали, что при близких начальных условиях нагрева ковшей (параметры огнеупорной массы, количество наливов металла, длительность нахождения ковша с металлом, длительность простоя и т.п.) новые режимы, по сравнению с "базовыми", позволяют сократить суммарный расход природного газа при сушке набивной футеровки на 5-С7 % (для кирпичной футеровки - до 12 %), а при межплавочном разогреве - на 10-С12 % (в отдельных случаях до 18 %). При этом таюке имеет место более равномерное распределение температуры по поверхности нагреваемого ковша.
В настоящее время разработка внедрена на одном ССРСК; разрабатывается типовой проект для переоборудования остальных стендов.
Для мартеновских печей опытные образцы системы ИО были реализованы в трёх вариантах: на МП Лч 2 и № 9 - на основе регуляторов расхода энергоносителей (на МП № 2 осуществлялась импульсная подача только природного газа, а на МП № 9 - синхронно: природного газа, мазута и кислорода), а на МП № 3 - на основе электроклапана, установленного на дополнительной байпасной линии природного газа в ГРУ (осуществлялась импульсная подача только природного газа) [6].
В процессе опытно-промышленных испытаний каждая из указанных печей эксплуатировалась с использованием ИО в течение кампании по футеровке главного свода печи. При этом максимальный расход энергоносителей устанавливался в соответствии с действующей технологической инструкцией (по тепловому режиму и эксплуатации МП) и не ограничивался. Режим ИО в процессе работы печей реализовывался периодически - начиная с периода заливки чугуна до конца плавки, либо непрерывно - в течение всей плавки. В случаях ухудшения качества мазута, для предотвращения сбоев работы системы ИО (подсистемы автоматического управления регулятором мазута), на МП № 9 импульсная подача мазута и кислорода временно отключалась. В процессе проведения опытных и сравнительных плавок осуществлялся контроль теп-
и
о св
Л О.
<ч
с
а
710 -
700 -
690 -
680 -
670 _
660 -•о
430
420 -
410 ~ А
400 А
390
380 =
95 -
90 ~ я
85 - □
80
о
о
• о
• о 0
О
А
А Л
А А А А
А
А А
О
Я □ □
| | I_I_I I
7 8
лового режима МП по приборам на пульте печи (с последующей поплавочной и попериодной обработкой диаграмм), путем замеров температуры жидкой стали и определения нагревательной способности печи (в период "чистого кипа"), а также дополнительных замеров температуры факела и свода печи. Эффективность различных вариантов режимов ПО оценивалась исходя из требований получения минимального удельного расхода топлива на производство стали при приблизительно постоянной длительности плавки. В результате испытаний было установлено, что для рассматриваемых условий, в зависимости от варианта реализации ПО, нагревательной способности печи (состояния насадок, кладки и т.п.) и др. факторов, оптимальные параметры ПО следующие: V = (10-^25) 103 с'; относительная амплитуда - ДУ/Утм = (15-г25) %.
Получено, что применение ПО (по сравнению с базовым тепловым режимом) позволяет без увеличения длительности плавки (без снижения нагревательной способности печи) снизить удельные расходы топлива на 4ч-7 кг у.т./т стали, технического кислорода - на 0,8ч-1.0 м3/т стали. При этом также снижается неравномерность распределения температуры по поверхности главного свода и ванны агрегата.
Опытно-промышленное опробование способа отопления МП с использованием режима
"термостатической паузы" было проведено на МП № 3. Система реализации режима "ТП" была
выполнена совместно с системой ПО и обеспечивала реализацию "ТП" в двух режимах: авто-
Дттп)
матическом и ручном. В первом случае, "ТП" реализовывалась (на определённое время автоматически при каждом реверсировании факела. При этом были опробованы следующие варианты подачи энергоносителей в печь (в период "ТП"): 1) энергоносители в печь не подаются; 2) подаётся только кислород с двух сторон для дожигания выделяющегося из ванны СО (в периоды плавки: "плавление", "полировка"); 3) подаются кислород и природный газ с расходом последнего до 800 м3/час с двух сторон (для компенсации тепловых потерь печи). Впоследствии, после оптимизации величины ^Ттп' от применения третьего варианта отказались. Было установлено, что использование "ТП" в автоматическом режиме позволяет обеспечить экономию топлива на 2 : 5 кг у.т./т и технического кислорода на 0,5ч-0,8 м3/т стали. Причём, длительное время МП № 3 эксплуатировалась при одновременном использовании режимов ПО и "ТП"; при этом ухудшение нагревательной способности печи не наблюдалось.
Время сушки и разогрева от начала процесса выделения пара из выпарных отверстий, час.
Рис. 2 -Динамика характерных температур 220-т сталеразли-вочных ковшей с набивной футеровкой в процессе сушки и разогрева природным газом по базовому режиму (ковш № 10)" и при использовании импульсного режима (ковш № 24) отопления: • , о -температура внутренней поверхности футеровки (в средней по высоте стен точке) ковшей № 24 и № 10 соответственно; А ,Д - температура наружной поверхности металлической крышки ковшей № 24 и № 10 соответственно; □ - средняя по высоте ковшей температура наружной поверхности кожуха ковшей № 24 и № 10 соответственно; момент начала использования импульсного режима подачи топлива в ковш № 24 соответствует 4 час.
В ручном режиме, "ТП" реализовывалась в случаях: перегрева шихты и жидкой ванны, задержки в выпуске плавки, при заправке печи (в т.н. для уменьшения заноса насадок регенератора заправочными материалами), а также в период раскисления и выпуска плавки (в т.ч. для уменьшения окислительного потенциала газовой фазы в рабочем пространстве печи). Установлено, что помимо экономии топлива (до 10 кг у.т./т стали и более), а также кислорода и вентиляторного воздуха (электроэнергии), применение "ТП" в ручном режиме позволяет также значительно расширить возможности управления технологическим процессом выплавки стали в мартеновских печах. В процессе опытно-промышленного опробования новых режимов отопления на МП JI5 3 при одновременном использовании ПО и "ТП" (в автоматическом и ручном режимах) на ряде плавок была получена экономия до 12 кг у.т./т стали и более.
В настоящее время разработка внедрена на пяти печах мартеновского цеха; продолжаются работы по её совершенствованию и расширению внедрения на остальных печах.
Выводы
1. Вопросы совершенствования способов и режимов отопления металлургических агрегатов, и в особенности мартеновских печей, с целью сокращения удельного расхода топлива и снижения вредных выбросов в окружающую среду, на базе беззатратных и малозатратных мероприятий. на настоящем этапе развития чёрной металлургии Украины имеют приоритетное значений.
2_ Реализация способов цикличного отопления является одним из перспективных направлений
совершенствования металлургических агрегатов с факельным отоплением.' 3. Разработаны, опробованы и внедрены в производство (в мартеновском цехе ОАО "МК "Азовсталь") энергоресурсосберегающие способы и режимы отопления мартеновских печей и стендов для сушки и разогрева сталеразливочных ковшей, основанные на использовании принципов цикличного отопления и режима "термостатической паузы", позволившие существенно улучшить технико-экономические показатели производства стали.
Перечень ссылок
1. Голубчепко A.C., Пшиошенко B.JI. Перспективы развития металлургии Украины в XXI веке // Черная металлургия Украины и стран СНГ" в XXI зеке (Труды международной конференции). - М.: Металлургия, 1994. - С.43-47.
2. Юзов О. В. Тенденции изменения экономических показателей чёрной металлургии России //
Труды 5-ого конгресса сталеплавильщиков. - М..ОАО "Черметинформация", 1999. - С. 11-20.
3. Экономия энергии на сталелитейных заводах. Беззатратные и низкозатратные меры. -Брюссель: Тасис, 1995. - 29 с
4. Ревун МП., Гранковский В.И., Байбуз А.Н. Интенсификация работы нагревательных печей.
- К.: Техшка, 1987. - 136с.
5. Разработка и внедрение импульсных режимов отопления стендов для сушки и разогрева
сталеразливочных ковшей / Сущенко A.B., Курдюков A.A., Койфман A.A. и др. // Металлургическая теплотехника (Сб. научных трудов ГМетАУ). Т.1. - Днепропетровск: ГМетАУ, 1999.-С. 175-178.
6. Совершенствование тепловой работы мартеновских печей ОАО "МК "Азовсталь" / Сущенко A.B., КурОюков A.A., Травинчев А.И. и др. // Металлургическая теплотехника (Сб. научных трудов ГМетАУ) Т.1. - Днепропетровск: ГМетАУ, 1999. - С. 179-180.
Сущенко Андрей Викторович. Заведующий Отделом математического моделирования и оптимизации теплотехнологических процессов и агрегатов ПНИЛ, окончил Мариупольский металлургический институт в 1984г. Основные направления научных исследований - математическое моделирование и энергооптимизация теплотехнологических процессов и систем; разработка и внедрение энергоресурсосберегающих технологий металлургического производства.
