CC BY
3
Вестник Череповецкого государственного университета. 2024. № 5 (122). С. 52-66. Cherepovets State University Bulletin, 2024, no. 5 (122), pp. 52-66.
Научная статья УДК 669-04
https://doi.org/10.23859/1994-0637-2024-5-122-5 EDN: UCOHCA
Моделирование режимов нагрева и охлаждения регенераторов в установке для утилизации теплоты сгорания конвертерного газа
Сергей Владимирович Лукин1н, Денис Вячеславович Породовский2,
1,2 Череповецкий государственный университет,
Череповец, Россия, '[email protected] [email protected]
Аннотация. Разработаны функциональная схема и информационная модель оценки параметров утилизационной установки конвертерного газа, состоящей из двух регенераторов, котла-утилизатора и паровой турбины. На основе уравнений, описывающих режимы нагрева и охлаждения регенераторов, предназначенных для аккумулирования теплоты сгорания конвертерного газа и нагрева воздуха для котла утилизатора, численно рассчитаны температуры насадки регенераторов, греющих газов и воздуха. При расходе конвертерного газа 125 тыс. нм3/ч, выбранном размере насадки регенераторов и длительности цикла работы конвертеров 40 мин в предлагаемой установке можно генерировать приблизительно 50 МВт электроэнергии. Срок окупаемости утилизационной установки не превышает одного года. Ключевые слова: конверторный газ, моделирование, регенератор, теплообмен, котел-утилизатор, паровая турбина
Для цитирования: Лукин С. В., Породовский Д. В. Моделирование режимов нагрева и охлаждения регенераторов в установке для утилизации теплоты сгорания конвертерного газа // Вестник Череповецкого государственного университета. 2024. № 5 (122). С. 52-66. https://doi.org/10.23859/1994-0637-2024-5-122-5
Simulating the heating and cooling modes of regenerators in a unit for utilizing the heat of combustion of converter gas
Sergey V. Lukin1, Denis V. Porodovsky2,
1,2 Cherepovets State University, Cherepovets, Russia, [email protected] [email protected]
Abstract. A functional scheme and an informational model for evaluating the parameters of a converter gas utilization unit consisting of two regenerators, a recovery boiler and a steam turbine, have been developed. Based on the equations describing the heating and cooling modes of
1 Лукин С. В., Породовский Д. В., 2024
regenerators designed to accumulate converter gas combustion heat and air heating for the heat recovery boiler, the temperatures of the gas checker of regenerators, heating gases and air are numerically calculated. With a converter gas consumption of 125 thousand nm3/h, the selected size of the regenerator gas checker, and the duration of the converter cycle of 40 minutes, approximately 50 MW of electricity can be generated in the proposed unit. The payback period of the utilization unit does not exceed one year.
Keywords: converter gas, simulation, regenerator, heat transfer, heat recovery boiler, steam turbine For citation: Lukin S. V., Porodovsky D. V. Simulating the heating and cooling modes of regenerators in a unit for utilizing the heat of combustion of converter gas. Cherepovets State University Bulletin, 2024, no. 5 (122), pp. 52-66. (In Russ.) https://doi.org/10.23859/1994-0637-2024-5-122-5
Введение
Вопросам повышения энергетической эффективности конвертерного производства стали уделяется значительное внимание1. Так, в настоящее время на металлургических комбинатах в РФ, а также во многих других странах мира конверторный газ, образующийся в кислородно-конверторном производстве, сжигается в свечах. При этом значительное количество химически связанной энергии конверторного газа теряется в окружающей среде. Несмотря на довольно большой энергетический потенциал конверторного газа, его использование затрудняется периодичностью его выхода, изменяющегося от 0 до 100 %.
Для утилизации конверторного газа чаще всего предлагают схему, требующую применения громоздкого дорогостоящего газгольдера, а также прокладки газопровода конверторного газа по территории комбината. Значительно более простой и дешевой представляется схема с аккумулированием теплоты сгорания конверторного газа в регенераторе типа каупера с последующей отдачей этой теплоты нагреваемому воздуху. Необходимо иметь минимум два регенератора, один из которых работает в режиме разогрева газами, получаемыми от сгорания конверторного газа, а другой - в режиме охлаждения воздухом, продуваемым противоточным образом через насадку. В статьях2 была разработана математическая модель теплообмена в
1 Зайцев А. А., Талантов А. Е. О перспективах утилизации конвертерного газа на ЧерМК ПАО «Северсталь» // Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации. 2016. № 8 (1400). С. 82-85. EDN: WJLSMV; Стародубцев П. Г. Разработка энергетически эффективного способа утилизации конвертерного газа // Вестник науки и образования. 2018. № 5 (41). С. 23-26. EDN: XNMTDN; Петин С. Н., Борисов А. А., Голдобин Д. Д., Королев В. С., Бурманина А. В. Разработка способа производства водорода на базе газовых отходов конвертерного производства стали // Промышленная энергетика, 2023. № 6. С. 32-42. https://doi.org/10.34831/EP.2023.75.53.004 EDN: SZJXEU; Лукьянов А. В., Протасов А. В., Си-вак Б. А., Щеголев А. П. Повышение эффективности конвертерного производства стали на примере Череповецкого металлургического комбината // Металлург. 2016. № 3. С. 33-39. EDN: WIAKHH; Зайцев А. А., Мурашев П. А., Коряковцев А. В., Цымай Д. В. Имитационное моделирование технологических процессов энергетики и экологии ЧерМК ПАО «Северсталь» // Металлург. 2023. № 9. С. 97-100.
2 Лукин С. В., Породовский Д. В., Разинков А. А., Бахвалов М. А. Математическая модель и алгоритм расчета теплового состояния регенератора для аккумулирования теплоты сжига-
насадке двух регенераторов, предназначенных для аккумулирования теплоты сгорания конвертерного газа и использования ее для нагрева потока воздуха.
Поток воздуха, забираемый из атмосферы, непрерывно нагревается в одном из регенераторов до высокой температуры порядка 1300 °С, после чего он направляется в котел-утилизатор (далее - КУ), где охлаждается до 85-125 °С, и затем выбрасывается в атмосферу. За счет теплоты воздуха в КУ генерируется пар энергетических параметров, работающий затем в паровых турбинах.
Основная часть
На рис. 1 показана функциональная схема оценки технологических параметров установки утилизации конвертерного газа (далее - УУ КГ). УУ КГ включает в себя газоочистку конвертерного газа, свечи дожигания, два регенератора - № 1 (в режиме разогрева) и № 2 (в режиме охлаждения), котел-утилизатор с рециркуляцией дымовых газов и с подтопочным устройством, конденсационную паровую турбину с электрическим генератором.
Химический состав конвертерного газа
Расходы газов, воздуха
Температурные условия
Временные условия
Геометрические условия
Физические условия
Сбор первичной информации
Обработка и анализ первичной информации
Регенераторы —
Паротурбинная установка
Корректировка данных
Отчет оператору паротурбинной установки
Конденсационная паровая турбина
„ t
Котел-утилизатор с Подтопок
рециркуляцией газов
f Регенераторы № 1,2 Свеча
!
Газоочистка
А
т
Конвертеры № 1,2,3
Рис. 1. Функциональная схема оценки технологических параметров УУ КГ
ния конвертерного газа и нагрева воздуха для котла-утилизатора // Вестник Череповецкого государственного университета. 2021. № 3 (102). С. 38-55. https://doi.org/10.23859/1994-0637-2021-3-102-3 ББ№ ББОЮТ; Лукин С. В., Шестаков Н. И., Породовский Д. В., Разинков А. А. Моделирование тепловой работы регенеративного теплообменника для утилизации теплоты сжигания конвертерного газа // Металлург. 2022. № 7. С. 89-96. https://doi.org/10.52351/00260827_2022_07_89 ББ№ БММ^
Для оценки технологических параметров УУ КГ собирается первичная информация:
- химический состав конвертерного газа в течение продувки (содержание CO,
N2, СО2, Н2, O2);
- расходы газа, воздуха (расход конвертерного газа Укг, расход воздуха в котле утилизаторе Оку);
- температурные условия (температура сжигания конвертерного газа Тг0, температура атмосферного воздуха Тв0, температура газов до и после котла утилизатора Т, Г);
- временные условия (моменты начала и окончания продувки конвертеров, длительность цикла последовательной работы двух конвертеров тц, длительность периода охлаждения регенератора тохл);
- геометрические условия (высота насадки регенератора Н, площадь поперечного сечения насадки 5", диаметр каналов d, удельная поверхность теплообмена /);
- физические условия (теплофизические параметры материала насадки, газов, воздуха).
При обработке и анализе первичной информации определяются:
- расход воздуха Ув, подаваемого на сжигание конвертерного газа в регенераторе № 1 в течение периода нагрева;
- расход греющих газов Уг, идущих на нагрев регенератора в течение продувки;
- расход греющих газов Gг в одном канале насадки регенератора в течение продувки;
- расход нагреваемого в регенераторе № 2 воздуха Gв в течение периода охлаждения;
- температура охлажденных газов Тг на выходе из регенератора в течение периода нагрева;
- температура нагретого воздуха Тв на выходе из регенератора в течение периода охлаждения;
- расход газов Gр, подаваемых на рециркуляцию;
- расход природного газа Впг, сжигаемого в подтопочном устройстве.
Регулирование работы регенераторов производится за счет подачи в один из них,
находящийся на разогреве (№ 1), конвертерного газа и определенного расхода воздуха V,, для его сжигания, а в другой, находящийся на охлаждении (№ 2), - расхода воздуха Gв для его нагрева, а также своевременное переключение регенераторов -перевод первого регенератора в режим охлаждения, а второго - в режим нагрева.
Регулирование работы котла-утилизатора производится путем изменения расхода газов Gр, подаваемых на рециркуляцию, и расхода газов, подаваемых из подтопочно-го устройства, за счет изменения расхода природного газа Впг в подтопке.
Управляющими параметрами являются: химический состав конвертерного газа после газоочистки; длительность цикла работы конвертеров тц; температура сжигания конвертерного газа Тг0; температура воздуха перед котлом-утилизатором Т; расход воздуха Gку через котел-утилизатор.
Управляемыми параметрами являются: расход воздуха Ув для сжигания конвертерного газа в регенераторе № 1; длительность периода охлаждения регенератора тохл; расход воздуха Ов для его нагрева в регенераторе № 2; расход газов Ор, подаваемых на рециркуляцию; расход природного газа Вш в подтопке.
После передачи первичной и обработанной информации оператору паротурбинной установки, автоматически или вручную, корректируются управляемые параметры.
Рассмотрим информационную модель оценки параметров установки для утилизации теплоты сжигания конвертерного газа, показанную на рис. 2.
Рис. 2. Информационная модель оценки параметров УУ КГ
Химический состав конвертерного газа, выходящего после газоочистки ГО с двух-трех поочередно работающих конвертеров Кь К2, К3 с расходом Укг, непрерывно определяется газоанализатором ГА, и при содержании оксида углерода СО > COmin « 25 %, обеспечивающем необходимую температуру горения, направляется в один из двух регенераторов Р1 или Р2, где сжигается при температуре tг0 и 1400 °С. Поскольку содержание СО во время продувки конвертера изменяется, то для получения постоянной температуры горения Тг0 изменяется расход воздуха Ув, подаваемого для сжигания конвертерного газа, при этом коэффициент избытка воздуха изменяется в диапазоне 1,0-1,61. Газообразные продукты горения конвертерного газа
1 Лукин С. В., Шестаков Н. И., Породовский Д. В., Разинков А. А. Моделирование тепловой работы регенеративного теплообменника для утилизации теплоты сжигания конвертерного газа // Металлург. 2022. № 7. С. 89-96 https://doi.org/10.52351/00260827_2022_07_89 ББ№ БМИЖМ; Лукин С. В., Шахов В. В., Сухарев В. Ю. Схема утилизации конвертерного газа с применением тепловых аккумуляторов // Череповецкие научные чтения - 2012: материалы всероссийской научно-практической конференции (г. Череповец, 7-8 ноября 2012 г.): в 3 ч.
проходят насадку регенератора сверху вниз, разогревая ее, и выходят охлажденными с температурой Тг = 130-270 °С (в среднем 200 °С), после чего удаляются в атмосферу. В начале и конце продувки конвертера, а также в межпродувочный период содержание СО < СОтт, и направляется в свечу. В другой регенератор вентилятором В1 подается воздух из атмосферы с расходом Gв и температурой Тв0 и 0 °С, который проходит насадку регенератора снизу вверх, охлаждая ее, и нагревается до Тв =1250-1350 °С (в среднем до 1300 °С), после чего направляется в котел-утилизатор КУ.
В серийных котлах-утилизаторах парогазовых установок (далее - ПГУ) температура газов перед котлом Т = 550-650 °С 1, поэтому в системной модели применяется рециркуляция части охлажденного в КУ воздуха с помощью вентилятора В2. При этом регулируется расход воздуха Gр, идущего на рециркуляцию с температурой Т" = 85-125 °С, который подмешивается к потоку горячего воздуха с температурой порядка Тв, выходящего из регенератора. За счет этого обеспечивается номинальная температура воздуха перед КУ Т 0, а расход охлажденного в КУ воздуха, отводимого в атмосферу, равняется расходу воздуха Gв 2 Для того, чтобы получить температуру охлажденного в КУ воздуха Т" = 85-125 °С, применяется двухконтурный котел-утилизатор, вырабатывающий пар высокого давления (далее - ВД) и низкого давления (далее - НД) с расходами Д и Б2. Пар ВД работает сначала в части высокого давления турбины (далее - ЧВД), после чего, смешавшись с паром НД, работает в части низкого давления (далее - ЧНД). Турбина вращает генератор ЭГ, вырабатывающий полезную электрическую мощность Ыэ. Конденсат, выходящий из конденсатора К, делится на два неравных потока, которые насосами высокого и низкого давления подаются в КУ.
В информационной модели предусмотрено подтопочное устройство П, в котором сжигается природный газ с расходом Впг, и продукты его горения подмешиваются к воздуху, выходящему из регенератора в те периоды, когда снижается электрическая мощность генератора Ыэ. Это происходит, когда температура и (или) расход воздуха, выходящего из регенератора, становятся меньше номинальных значений. Автоматически регулируя расходы греющих газов из подтопочного устройства и газов, подаваемых на рециркуляцию, можно получить постоянные расход Gку и температуру Т газов, идущих на котел-утилизатор3.
В предлагаемой схеме регенераторы аккумулируют примерно 87,3 % теплоты сгорания конвертерного газа, а котел-утилизатор использует приблизительно 93 %
Ч. 3. Череповец: Череповецкий государственный университет, 2013. С. 154-156. EDN: TSRSCP
1 Березинец П. А., Терешина Г. Е. Котлы-утилизаторы бинарных парогазовых установок // Теплоэнергетика. 2021. № 6. С. 45-54. https://doi.org/10.1134/S0040363621060023 EDN: JRQGZH
2 Лукин С. В., Шахов В. В., Сухарев В. Ю. Схема утилизации конвертерного газа с применением тепловых аккумуляторов // Череповецкие научные чтения - 2012: материалы всероссийской научно-практической конференции (г. Череповец, 7-8 ноября 2012 г.): в 3 ч. Ч. 3. Череповец: Череповецкий государственный университет, 2013. С. 154-156. EDN: TSRSCP
3 Сазанов Б. В. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий. Москва: Энергоатомиздат, 1990. 302 с.
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
теплоты нагретого воздуха. Таким образом, около 81,1 % теплоты сгорания конвертерного газа переходит в теплоту пара, работающего далее в турбине.
Для того, чтобы капитальные вложения в установку были минимальны, размеры насадки регенераторов выбираются из условия, что в течение продувки одного конвертера осуществляется нагрев одного из регенераторов и охлаждение второго регенератора. В течение продувки другого конвертера первый регенератор переводится в режим охлаждения, а второй - в режим нагрева.
Рассмотрим результаты численного моделирования тепловой работы регенераторов в режимах нагрева и охлаждения насадки, выполненной из фасонного огнеупорного материала. В насадке имеются вертикальные каналы круглого сечения диаметром d = 0,02 м, высотой Н = 20 м. Удельная поверхность теплообмена 1 м3 насадки составляет f= 64 м2/м3, а количество каналов на 1 м2 поперечного сечения насадки -n = 1018,6. В статьях1 получены уравнения, описывающие температурные поля насадки регенератора, греющих газов и нагреваемого воздуха в режимах нагрева и охлаждения. В работе С. В. Лукина и др.2 разработан алгоритм численного расчета температур насадки, газов и воздуха в пространственных и временных узлах. При численном расчете канал разбивался на 60 узлов, при этом расстояние между узлами составляло Az = 20/60 = 0,333 м. Шаг по времени, при котором конечно-разностная явная схема является устойчивой и обеспечивает необходимую точность расчета, составил Ax = 0,0025 с. Число временных узлов для 40 мин цикла регенератора - 960 000. Расчет проводился для двух последовательных циклов регенератора, так как в начале первого цикла распределение температуры насадки задавалось приблизительно.
При моделировании температура греющих газов на входе в насадку принималась равной Тг0 = 1400 °C. Постоянство температуры продуктов горения конвертерного газа обеспечивается за счет изменения коэффициента избытка воздуха, поскольку химический состав конвертерного газа в течение продувки изменяется3: при 0 < x < 1,5 мин содержание СО резко возрастает от 0 до 40 %; затем при 1,5 < x < 3 мин со-
1 Лукин С. В., Породовский Д. В., Разинков А. А., Бахвалов М. А. Математическая модель и алгоритм расчета теплового состояния регенератора для аккумулирования теплоты сжигания конвертерного газа и нагрева воздуха для котла-утилизатора // Вестник Череповецкого государственного университета. 2021. № 3. С. 38-55. https://doi.org/10.23859/1994-0637-2021-3-102-3 EDN: DBOIHF; Лукин С. В., Шестаков Н. И., Породовский Д. В., Разинков А. А. Моделирование тепловой работы регенеративного теплообменника для утилизации теплоты сжигания конвертерного газа // Металлург. 2022. № 7. С. 89-96. https://doi.org/10.52351/00260827_2022_07_89 EDN: SMRIWN
2 Лукин С. В., Породовский Д. В., Разинков А. А., Бахвалов М. А. Математическая модель и алгоритм расчета теплового состояния регенератора для аккумулирования теплоты сжигания конвертерного газа и нагрева воздуха для котла-утилизатора // Вестник Череповецкого государственного университета. 2021. № 3 (102). С. 38-55. https://doi.org/10.23859/1994-0637-2021-3-102-3 EDN: DBOIHF
3 Лукин С. В., Шестаков Н. И., Породовский Д. В., Разинков А. А. Моделирование тепловой работы регенеративного теплообменника для утилизации теплоты сжигания конвертерного газа // Металлург. 2022. № 7. С. 89-96. https://doi.org/10.52351/00260827_2022_07_89 EDN: SMRIWN
держание СО почти линейно снижается до 23 %; при 3 < т < 6 мин содержание СО возрастает до 60 %; при 6 < т < 14 мин содержание СО практически не изменяется и составляет около 60 %; при 14 < т < 15 мин содержание СО снижается до 36 %; при т > 15 мин содержание СО резко падает до нескольких процентов. В качестве топлива конвертерный газ используется при 1,5 < т < 15 мин. В начале продувки при 0 < т < 1,5 мин и в конце продувки при 15 < т < 18 мин конвертерный газ содержит мало горючих компонентов и сам по себе не обеспечивает температуру горения 1400 °С. При 18 < т < 20 мин выход конвертерного газа отсутствует.
Проводился расчет полного горения конвертерного газа для отмеченных моментов времени продувки. Расход конвертерного газа в течение всей продувки принят 125 тыс. нм3/ч; температура воздуха для горения - 0 °С; температура продуктов горения Тг0 = 1400 °С. Полное количество каналов в регенераторе принималось равным N = 29617, что соответствует площади сечения насадки регенератора = 29 м2 и диаметру насадки - 6,08 м.
На рис. 3 показан массовый расход газа в одном канале в течение режима нагрева. Так, при т = 1,5 мин в конвертерном газе содержание СО = 40 %, Н2 = 7 %, коэффициент избытка воздуха - а = 1,235, выход продуктов горения на 1 м3 конвертерного газа - иг = 2,2 нм3/м3, полный расход греющих газов - У0г = 275 тыс. м3/ч; массовый расход газов через один канал регенератора - Ог = 0,0033 кг/с. При т = 3 мин величина Ог = 0,0031 кг/с; в промежутке 6 < т < 14 мин - Ог = 0,0046 кг/с; при т = 15 мин - Ог = 0,0027 кг/с.
G г, кг/с Расход газа через один канал в режиме нагрева
Рис. 3. Расход газа в канале в режиме нагрева в зависимости от времени
Принимаем, что последовательная работа двух конвертеров происходит за тц = 40 мин. Период нагрева и простоя насадки регенератора происходит в течение времени 0 < т < 20 мин; в промежутке времени 1,5 < т < 15 мин идет нагрев насадки регенератора, а в промежутки времени 0 < т < 1,5 мин и 15 < т < 20 мин насадка простаивает, так как нет расхода газа. В период охлаждения насадки регенератора в течение вре-
мени 20 < х < 40 мин расход воздуха через один канал остается постоянным и составляет Ов = 0,003 кг/с.
На рис. 4 показано распределение температуры насадки в разные моменты времени.
Т н ,'С
Рис. 4. Распределение температуры насадки по ее длине в режиме нагрева;
1 - х = 0; 1,5; 40 мин; 2 - х = 9 мин; 3 - х = 15; 20 мин
Например, в момент х = 0 мин, когда начинается период нагрева и простоя насадки (сам нагрев начинается в момент х = 1,5 мин), и в момент х = 40 мин, когда заканчивается режим охлаждения, температура насадки при г = 0 м (верх насадки) равна 1276 °С, а при г = 20 м (низ насадки) - 47,3 °С, т. е. изменяется в среднем на 61,6 К на 1 м длины насадки. В момент х = 15 мин, когда заканчивается нагрев насадки, и в момент х = 20 мин, когда заканчивается период нагрева и простоя, и начинается период охлаждения насадки, температура при г = 0 м равна 1398 °С, а при г = 20 м - 199,8 °С, т. е. изменяется в среднем на 59,9 К на 1 м длины насадки.
Отметим, что в промежутках времени 0 < х < 1,5 мин и 15 < х < 20 мин температура насадки практически не изменяется, поскольку отсутствует расход газа. При нагреве насадки в промежутке 1,5 < х < 15 мин скорость изменения ее температуры в среднем сечении при г = 10 м составляет 8,8...11,7 К/мин. При охлаждении насадки в промежутке 20 < х < 40 мин скорость изменения ее температуры при г = 10 м составляет 6,96.7,52 К/мин.
На рис. 5 показано изменение температур газа Тг и насадки Тн от времени внизу насадки (г = 20 м) в течение режима нагрева.
T. °С z = 20 м
Рис. 5. Изменение температур газа Тг и насадки Тн от времени внизу насадки
Из рис. 5 следует, что с момента начала нагрева насадки т = 1,5 мин до момента окончания нагрева т = 15 мин температура газа на выходе из насадки возрастает приблизительно линейно от 125,8 °С до 278,6 °С со скоростью 11,3 К/мин, а температура насадки при г = 20 м при этом возрастает также почти линейно от 47,3 °С до 202 °С со скоростью 11,47 К/мин. Средняя температура газа на выходе из насадки в период нагрева составляет 202,2 °С. В промежутки времени от 0 до 1,5 мин, и от 15 до 20 мин, температура насадки не изменяется, так как расход греющего газа равняется нулю, при этом расчетная температура газа в канале равняется температуре насадки.
На рис. 6 показано изменение температур воздуха Тв и насадки Тн в зависимости от времени вверху насадки (г = 0 м) в течение периода охлаждения при 20 < т < 40 мин. Из рис. 6 следует, что температура нагретого воздуха, выходящего из насадки, изменяется практически линейно от времени от 1353 °С до 1236 °С по зависимости Тв = 1353 - 5,9-(т - 20), т. е. скорость уменьшения температуры воздуха составляет 5,9 К/мин. Температура насадки также уменьшается практически линейно от времени от значения 1391 до 1275,4 °С по зависимости Тн = 1391 - 5,86-(т - 20); скорость уменьшения температуры насадки составляет 5,86 К/мин, т. е. примерно равна скорости снижения температуры воздуха.
T ,oc z = 0
Рис. 6. Изменение температур воздуха и насадки от времени вверху насадки
Таким образом, при расходе охлаждающего воздуха через один канал Ов = 0,003 кг/с и его начальной температуре Тв0 = 0 °С максимальная температура воздуха на выходе из насадки составляет Ттах = 1353 °С, а скорость уменьшения температуры воздуха Тв составляет 5,9 К/мин. За 20 мин охлаждения насадки понижение температуры воздуха, выходящего из нее, составит 118 К. При уменьшении расхода воздуха через канал величина Ттах немного возрастет, но в любом случае будет меньше значения 1400 °С - начальной температуры газов. Соответственно, нагрев воздуха (Тв - Тв0) при уменьшении Ов увеличится несущественно, а расход теплоты, забираемой воздухом, равный Q = св-Ов-(Тв - Тв0), снизится приблизительно прямо пропорционально Ов. Следовательно, и скорость охлаждения насадки, и скорость понижения температуры воздуха, выходящего из насадки, также уменьшатся пропорционально расходу воздуха Ов. Получена приближенная формула для определения скорости понижения температуры воздуха и насадки при г = 0: ёТвШт и 5,9-(0в/0,003), К/мин. При числе каналов в регенераторе N = 29617 суммарный массовый расход воздуха, соответствующий расходу воздуха в одном канале Ов = 0,003 кг/с, составит 1,Ов = 88,9 кг/с.
Продолжительность периода охлаждения при снижении суммарного расхода воздуха можно оценить по формуле: тохл = 20-(88,9/Е0в), мин, где 20 мин - оптимальная продолжительность периода охлаждения при Т.Ов = 88,9 кг/с, при котором распределение температуры насадки в конце охлаждения оказывается таким же, как в начале периода нагрева. Очевидно, что для нормальной работы регенераторов величина тохл должна равняться тнагр - продолжительности периода нагрева и простоя, а в сумме
две эти величины равны длительности цикла хц последовательной работы двух конвертеров: хц = хохл + хнагр = 2хохл. В предыдущем примере величина хц = 40 мин, но в общем случае она может быть 35.50 мин и более. Например, при хц = 50 мин величина хохл = 25 мин, и суммарный расход воздуха должен составлять ЕОв= 88,9-20/25 = 71,1 кг/с, что на 20 % меньше, чем при хохл = 20 мин. Если не применять подтопки КУ, то это приведет к снижению его производительности и уменьшению выработки электроэнергии в паровой турбине примерно на 20 %.
КПД регенератора определяется выражением: = бр/^0, где Q0 - количество теплоты, поступающее в регенератор за время нагрева с греющими газами с температурой Т0; Qр - количество теплоты, отданное в регенераторе за период нагрева греющими газами. Данные величины определяются выражениями:
Тнагр Хнагр
0> =| Ч (т)• И0 • ёт; 0р =| От (т)-(й0 -Ит (т))• ат,
0 0
где бг(х) - расход газов через канал в режиме нагрева (см. рис. 2); И0 - энтальпия газа при температуре Т0 = 1400 °С; Иг(х) - энтальпия газов, выходящих из насадки в режиме нагрева при температуре Тг(х) = Тг(г,х) при г = Н = 20 м. Зависимость Тг(х) показана на рис. 4. Для расчета энтальпии газов (кДж/кг), в зависимости от температуры Тг, °С, получена формула: Иг = (1,042 + 0,125-10-3-Тг) Т
При численном расчете получено: Q0 = 5825 кДж; Qр = 5825 кДж; = 0,873. Таким образом, рассматриваемый регенератор позволяет аккумулировать 87,3 % теплоты сгорания конвертерного газа. При числе каналов N = 29617 общее количество теплоты, аккумулированное за один период нагрева (за одну продувку конвертера) при расходе конвертерного газа 125 тыс. нм3/ч составит Q1 = N•Qр = 150,65 ГДж. За один цикл работы двух конвертеров количество аккумулированной теплоты в двух регенераторах составит Qц = 2•Q1 = 301,3 ГДж. При длительности цикла хц = 40 мин число циклов за сутки составит 36, за год (365 сут.) - 13140, при этом количество аккумулированной теплоты составит 3959 тыс. ГДж/год, или в условном топливе -135,1 тыс. т.у.т. Если принять, что данная теплота расходуется на нагрев воздуха с постоянным расходом = 88,9 кг/с от 0 °С до средней температуры Т в = 1294 °С, и в котле-утилизаторе воздух охлаждается до температуры Т"в = 100 °С, то в КУ воздух отдает расход теплоты: Qв = ~ЕОв(И'в - И"в), где И'в, И"в - энтальпии воздуха при температурах Т в, Т"в; энтальпия воздуха (кДж/кг), в зависимости от температуры (°С), определяется выражением: Ив = (0,9384 + 0,095- 10-3-Тв)-Тв. КПД котла-утилизатора составит = (И 'в - И"в)/И'в = 0,93, а величина Qв = Qп = 112,2 МВт, где Qп - расход теплоты на образование пара в КУ. Приняв КПД турбоустановки на выработку электроэнергии равным 0,45, получим, что электрическая мощность паротурбинной установки составит N = 50,5 МВт. При стоимости покупной электроэнергии 3,5 руб/кВт-ч экономия денежных затрат на закупку электроэнергии для металлургического комбината составит 1,55 млрд. руб/год.
Стоимость конденсационной паровой турбины мощностью 50 МВт с котлом-утилизатором, конденсатором и градирней составляет примерно 200 млн. руб. Объем насадки регенератора составляет V = И£ = 20-29 = 580 м3, для двух регенераторов
- 1160 м3. Объем огнеупорного материала в 1 м3 насадки составляет 0,68 м3, т. е. объем огнеупорной массы для изготовления двух регенераторов - 790 м3. При средней плотности огнеупорного кирпича 2500 кг/м3 масса огнеупорного кирпича составит 1,97 тыс. тонн. При удельной стоимости огнеупорного кирпича 25 тыс. руб. за тонну стоимость всего огнеупорного кирпича для изготовления регенераторов составит примерно 50 млн. руб. С учетом изготовления стального кожуха для регенераторов и их постройки итоговую стоимость двух регенераторов можно оценить в 100-200 млн. руб. Если добавить затраты на модернизацию газоочистки конвертерного газа, которая для ПАО «Северсталь» оценивается в 500 млн. руб., и учесть некоторые дополнительные затраты на подтопку котла-утилизатора, систему рециркуляции дымовых газов, систему регулирования и автоматизации, то полную стоимость данной схемы утилизации конвертерного газа можно оценить в 1,0-1,5 млрд. руб., что при экономическом эффекте в 1,55 млрд. руб. окупается менее, чем за год.
Выводы
1. Разработаны функциональная схема и информационная модель оценки параметров утилизационной установки конвертерного газа, образующегося на металлургических комбинатах, состоящей из двух регенераторов, котла-утилизатора и паровой турбины. Конвертерный газ, периодически выходящий от двух или трех конвертеров, сжигается поочередно в двух регенеративных теплообменниках, аккумулирующих теплоту продуктов горения конвертерного газа и отдающих ее потоку воздуха, который непрерывно нагревается до температуры 1250-1350 °С и поступает в котел-утилизатор конденсационной энергетической паротурбинной установки.
2. Численно методом конечных разностей рассчитаны температуры насадки регенераторов, газов и воздуха, выбраны режимные и конструктивные параметры регенераторов. Длительность цикла работы регенераторов принята равной длительности цикла работы конвертеров - 35-50 мин. Высота насадки регенераторов при расходе конвертерного газа 125 тыс. нм3/ч составляет 20 м, площадь ее поперечного сечения - 29 м2, число каналов диаметром 20 мм - 29617. При длительности цикла 40 мин полный расход воздуха через регенератор равен 88,9 кг/с, при этом воздух нагревается до 1250-1350 °С.
3. Рассчитан энергетический и экономический эффект от внедрения установки. За один цикл работы двух конвертеров садкой 410 т в регенераторах можно аккумулировать 301,3 ГДж теплоты, что составляет 87,3 % от теплоты сгорания конвертерного газа. За год количество аккумулированной теплоты составит в условном топливе
- 135,1 тыс. т.у.т. При длительности цикла 40 мин в предлагаемой схеме утилизации можно генерировать примерно 50 МВт электроэнергии. Срок окупаемости утилизационной установки, работающей по предлагаемой схеме, по оценке не превышает одного года.
Список литературы / References
Березинец П. А., Терешина Г. Е. Котлы-утилизаторы бинарных парогазовых установок. Теплоэнергетика, 2021, № 6, с. 45-54. https://doi.org/10/1134/S0040363621060023 EDN: JRQGZH
Berezinets P. A., Tereshina G. E. Heat recovery steam generators of binary combined-cycle units. Thermal Engineering, 2021, no. 6, pp. 45-54. https://doi.org/10/1134/S0040363621060023 EDN: JRQGZH (In Russ.)
Зайцев А. А., Мурашев П. А., Коряковцев А. В., Цымай Д. В. Имитационное моделирование технологических процессов энергетики и экологии ЧерМК ПАО «Северсталь». Металлург, 2023, № 9, с. 97-100.
Zaitsev A. A., Murashev P. A., Koriakovtsev A. V., Tsymai D. V. Simulation modelling of technological processes in power and utilities supply and environmental management at CherMK of PAO Severstal. Metallurgist, 2023, no. 9, pp. 97-100. (In Russ.)
Зайцев А. А., Талантов А. Е. О перспективах утилизации конвертерного газа на ЧерМК ПАО «Северсталь». Черная металлургия. Бюллетень научно-технической и экономической информации, 2016, № 8 (1400), с. 82-85. EDN: WJLJMV
Zaitsev A. A., Talantov A. E. On the prospects of converter gas utilization at CherMK PAO Sev-erstal. Ferrous metallurgy. Bulletin of scientific, technical and economic information, 2016, no. 8 (1400), pp. 82-85. EDN: WJLJMV (In Russ.)
Лукин С. В., Породовский Д. В., Разинков А. А., Бахвалов М. А. Математическая модель и алгоритм расчета теплового состояния регенератора для аккумулирования теплоты сжигания конвертерного газа и нагрева воздуха для котла-утилизатора. Вестник Череповецкого государственного университета, 2021, № 3 (102), с. 38-55. https://doi.org/10/23859/1994-0637-2021-3-102-3 EDN: DBOIHF
Lukin S. V., Porodovskii D. V., Razinkov A. A., Bakhvalov M. A. Mathematical model and algorithm for calculation of thermal state of a regenerator accumulating converter gas heat of combustion and heating air for a recovery boiler. Cherepovets State University Bulletin, 2021, no. 3 (102), pp. 38-55. https://doi.org/10/23859/1994-0637-2021-3-102-3 EDN: DBOIHF (In Russ.)
Лукин С. В., Шахов В. В., Сухарев В. Ю. Схема утилизации конвертерного газа с применением тепловых аккумуляторов. Череповецкие научные чтения - 2012: материалы всероссийской научно-практической конференции (г. Череповец, 7-8 ноября 2012 г.): в 3 ч, ч. 3. Череповец: Череповецкий государственный университет, 2013, с. 154-156. EDN: TSRSCP
Lukin S. V., Shakhov V. V., Sukharev V. Iu. Scheme of converter gas utilization applying thermal accumulators. Cherepovets Scientific Readings - 2012: Proceedings of the All-Russian research and practice conference (Cherepovets, 7-8 November 2012): in 3 parts, part 3. Cherepovets: Cherepovetskii gosudarstvennyi universitet, 2013, pp. 154-156. EDN: TSRSCP (In Russ.)
Лукин С. В., Шестаков Н. И., Породовский Д. В., Разинков А. А. Моделирование тепловой работы регенеративного теплообменника для утилизации теплоты сжигания конвертерного газа. Металлург, 2022, № 7, с. 89-96. https://doi.org/10/52351/00260827_2022_07_89 EDN: SMRIWN
Lukin S. V., Shestakov N. I., Porodovskii D. V., Razinkov A. A. Simulation of thermal operation of regenerative heat exchanger for utilization of heat of combustion of converter gas. Metallurgist, 2022, no. 7, pp. 89-96. https://doi.org/10/52351/00260827_2022_07_89 EDN: SMRIWN (In Russ.)
Лукьянов А. В., Протасов А. В., Сивак Б. А., Щеголев А. П. Повышение эффективности конвертерного производства стали на примере Череповецкого металлургического комбината. Металлург, 2016, № 3, с. 33-39. EDN: WIAKHH
Luk'ianov A. V., Protasov A. V., Sivak B. A., Shchegolev A. P. Efficiency improving BOF steel production on example of Cherepovets Steel Mill. Metallurgist, 2016, no. 3, pp. 33-39. EDN: WIAKHH (In Russ.)
Петин С. Н., Борисов А. А., Голдобин Д. Д., Королев В. С. Бурманина А. В. Разработка способа производства водорода на базе газовых отходов конвертерного производства стали. Промышленная энергетика, 2023, № 6, с. 32-42. https://doi.org/10.34831/EP.2023.75.53.004 EDN: SZJXEU
Petin S. N., Borisov A. A., Goldobin D. D., Korolev V. S. Burmanina A. V. Development of a hydrogen production procedure based on the gas waste from converter steel production. Industrial Power Engineering, 2023, no. 6, pp. 32-42. https://doi.org/10.34831/EP.2023.75.53.004 EDN: SZJXEU (In Russ.)
Сазанов Б. В. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий. Москва: Энер-гоатомиздат, 1990. 302 с.
Sazanov B. V. Thermal power systems of industrial enterprises. Moscow: Energoatomizdat, 1990. 302 p. (In Russ.)
Стародубцев П. Г. Разработка энергетически эффективного способа утилизации конвертерного газа. Вестник науки и образования, 2018, № 5 (41), с. 23-26. EDN: XNMTDN
Starodubtsev P. G. Development of an energy efficient method for disposing converter gas. Bulletin of Science and Education, 2018, no. 5 (41), pp. 23-26. EDN: XNMTDN (In Russ.)
Сведения об авторах
Сергей Владимирович Лукин - доктор технических наук, профессор; [email protected], Череповецкий государственный университет (д. 5, пр-т Луначарского, 162600 Череповец, Россия); Sergey V. Lukin - Doctor of Technical Sciences, Professor, [email protected], Cherepovets State University (5, pr. Lunacharskogo, 162600 Cherepovets, Russia).
Денис Вячеславович Породовский - аспирант, [email protected], Череповецкий государственный университет (д. 5, пр-т Луначарского, 162600 Череповец, Россия); Denis V. Porodovsky - Postgraduate Student, [email protected], Cherepovets State University (5, pr. Lunacharskogo, 162600 Cherepovets, Russia).
Заявленный вклад авторов: авторы сделали разный вклад в подготовку публикации, что отражено в последовательности персоналий авторского коллектива. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Contribution of the authors: the authors made different contributions to the preparation of the publication, which is reflected in the sequence of personalities of the author's team. The authors declare no conflicts of interests.
Статья поступила в редакцию 27.05.2024; одобрена после рецензирования 10.06.2024; принята к публикации 24.06.2024.
The article was submitted 27.05.2024; Approved after reviewing 10.06.2024; Accepted for publication 24.06.2024.
