CC BY
201
УДК 622.785
Снижение энергоемкости агломашин за счет совершенствования их тепловых схем
И. С. Берсенев,
ГОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», аспирант, г. Екатеринбург
В. И. Клейн,
ООО «НПВП ТОРЭКС»,
кандидат технических наук, с.н.с., главный специалист, г. Екатеринбург В. И. Матюхин,
ГОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», кандидат технических наук, доцент, г. Екатеринбург
Ю. Г. Ярошенко,
ГОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б. Н. Ельцина», доктор технических наук, профессор, г. Екатеринбург
Представлен анализ различных перспективных тепловых схем агломерационных машин. Произведена количественная оценка резервов экономии топлива за счёт утилизации вторичных энергетических ресурсов агломерационного процесса.
Ключевые слова: энергоэффективность, агломашина, тепловая схема, рециркуляция, дымовые газы, охладитель, агломерат, расход топлива.
Металлургическая отрасль является одной из наиболее энергоёмких в промышленности, при этом значительная доля в структуре затрат материальных и энергетических ресурсов относится к первоначальной стадии получения металла - доменному процессу. Рудная составляющая шихты доменных печей большинства металлургических заводов представлена агломератом, что позволяет считать снижение затрат на его производство мощным резервом для улучшения эффективности металлургического передела. Анализ себестоимости агломерата показывает, что до 50 % затрат связано с энергетическими ресурсами: топливом и электроэнергией. В то же время при производстве аглоспека образуются вторичные энергоресурсы, к числу которых следует отнести физическое и химическое тепло дымовых газов, а также тепло горячего агломерата.
Количественная оценка потенциала вторичных энергетических ресурсов и разработка технических решений для их реализации являются весьма актуальной научно-технической задачей, решение которой может быть найдено аналитически за счёт разработки тепловых схем агломерационных машин. Сама идея реализации тепловых схем агломерационных машин с целью обеспечения минимальных затрат тепла не является новой, о чём свидетельствуют результаты ряда теоретических и экспериментальных работ, результаты которых изложены в [1]. В то же время различия условий работы агломерационных производств не позволяют провести сравнительный анализ эффективности существующих и перспективных разработок, что значительно осложняет
как выбор наиболее рациональной тепловой схемы агломашины, так и оценку возможностей энергосбережения при агломерации. Попытка решить эту проблему представлена в данной работе.
К утилизации вторичных энергетических ресурсов, возникающих в технологиях производства агломерата, следует подходить комплексно, анализируя различные варианты тепловых схем агломерационных машин. К настоящему времени все существующие схемы могут быть сведены к трём основным вариантам:
- с утилизацией тепла горячего воздуха в зонах стабилизации и спекания агломерационного процесса при охлаждении агломерата на хвостовой части агломашины;
- с утилизацией тепла агломерационных газов в технологических зонах - зажигания, стабилизации и спекания при охлаждении агломерата на хвостовой части агломашины;
- с утилизацией тепла агломерационных газов в технологических зонах - стабилизации и спекания, а также с использованием тепла горячего воздуха, полученного при охлаждении агломерата в отдельно стоящем охладителе, при этом часть горячего воздуха направляется в зону зажигания, другая его часть - для выработки тепловой или электрической энергии.
В качестве методологической основы при анализе тепловой работы агломерационных машин были использованы результаты исследований, изложенные в монографии [2]. В качестве сравнительной базы приняты показатели работы агломерационной фаб-
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 23 =
Таблица 1
Показатели работы агломашин
Показатели База Варианты
1 2 3
Условный коэффициент сопротивления слоя 34300 ~15000
Содержание углерода в шихте, % 4,33 2,4 2,9 2,8
Ширина тележек, м 4,0 5,0
Производительность по агломерату, т/ч 377 747 715 683
Доля подсосов (продувов) 0,65 0,50
Зона спекания
Площадь зоны, м2 312 315
Длина зоны, м 78 63
Площадь одной камеры, м2 12 15
Коллектор 1 Число камер 26 6 6 6
Wф на входе в слой, м/с 0,234 0,263 0,263 0,263
Разрежение, кгс/м2 1212 1000 1000 1000
Коллектор 2 Число камер - 15 8 10
Wф на входе в слой, м/с - 0,355 0,34 0,34
Разрежение, кгс/м2 - 1600 1500 1500
Коллектор 3 Число камер - - 7 5
Wф на входе в слой, м/с - - 0,33 0,32
Разрежение, кгс/м2 - - 1400 1200
Средняя скорость фильтрации, м/с 0,330 0,315 0,300
Вертикальная скорость спекания, мм/мин 15,12 29,0 27,8 26,4
Теплота горения углерода Qс, ГДж/кг 22,5 28,2 23,7 24,3
Удельный расход твердого топлива*, кг/т 66,6 36,9 44,6 43,1
Удельный сброс СО в атмосферу, кг/т агл. 27,07 9,5 5,5 7,5
Температура спёка в конце зоны, °С 750 1000 800 800
Зона охлаждения
Местоположение зоны Охладитель линейный На машине На машине Охладитель кольцевой
Площадь зоны, м2 315 480 285 300
Длина зоны, м 90 96 57 -
Коллектор 3 Число камер 12 16 5 -
Wф на входе в слой, м/с 0,63 0,30 0,33 0,684
Разрежение, кгс/м2 - 1000 1400 -
Коллектор 4 Число камер - 16 14 -
Wф на входе в слой, м/с - 0,275 0,32 -
Разрежение, кгс/м2 - 900 1200 -
Удельный расход воздуха, нм3/т аглоспека 1750 490 345 1080
Температура спека в конце зоны, °С Менее 200 400 250 200
Машина в целом
Площадь, м2 - 795 600 -
Длина, м - 159 120 -
Удельная производительность, т/(м2ч) 1,21 0,94 1,20 2,16
Содержание FeO в агломерате, % 12,3 5,0 6,5 7,0
* В пересчёте на горючий углерод.
ШШШВСТ
рики № 3 ОАО «Северсталь» как наиболее передовой среди агломерационных фабрик России. В расчётах принят средний диаметр частиц шихты, равный 4,5 мм, что может быть обеспечено организацией двухстадийной схемы окомкования. Результаты расчёта и другие исходные данные представлены в табл. 1 и на рис. 1-3.
В расчётах также принято, что в результате применения современных конструкций продольных уплотнений, доля подсосов (продувов), несмотря на увеличение разрежения в камерах, не превысит 50 %. При оценке выбросов оксида углерода использовали выражение:
со =к
\2-(п + \)
где Ош - производительность агломашины по шихте, кг/ч;
Сш - содержание углерода в шихте, доли ед.;
Квос - доля СО, пошедшая на восстановление оксидов железа (Квос=0,4-0,9); п - стехиометрический коэффициент (п=СО2/СО).
Первый вариант тепловой схемы агломерационной машины (рис. 1) рассчитан на её работу с совмещённым охлаждением агломерата на агломерационной ленте, которое предусматривает переток горячего воздуха из зоны охлаждения в зоны стабилизации и спекания. Анализ этой схемы сводился к оценке влияния тепла от охлаждения агломерата на характеристики процесса спекания агломерата, а также к оценке степени использования этого тепла. Расчёты показали, что воздух, собранный с площади ленты в пределах коллектора 3 в количестве 259200 м3/ч, имеет температуру 750 °С. Воздух таких тепловых параметров, направленный в зону стабилизации, способен не только компенсировать дефицит тепла для верхней части слоя шихты, но и обеспечить снижение затрат твёрдого топлива до 2,4 % и ЕеО в агломерате до 5,0 %. Последний факт указывает на улучшение качества получаемого агломерата за счёт роста его восстановимости в условиях доменной печи, что способствует снижению расхода энергоресурсов в последующих переделах.
Шихта ПостелЬ"
Природный газ Воздух
ВОЗДУХ
. i i
оллектор IIколлектор 2 |__j-£e)—
коллектор 3
— дымосос lid — электрофильтр Q - циклон ^ - труба Вентури
Рис. 1. Тепловая схема агломерационной машины с рециркуляцией горячего воздуха в зону стабилизации процесса
В этих условиях за счёт более полного горения углерода коксика уменьшаются и выбросы оксида углерода с 27,7 до 9,47 кг СО на тонну агломерата. Переток воздуха приводит и к увеличению вертикальной скорости спекания (29 мм/мин) при росте скорости фильтрации (0,35 м/с), что повлияло почти на двукратное увеличение производительности агрегата в сравнении с базовым вариантом.
С позиций ресурсо- и энергосбережения и экологии отмеченные выше изменения в работе агрегата несомненно являются благоприятными. Однако анализ будет неполным, если не остановиться и на других особенностях организации работы с использованием рассматриваемой тепловой схемы.
Прежде всего следует отметить, что при работе агрегата по схеме рис. 1 зона высоких температур (более 1000 °С), с одной стороны, среднемассовой температуры шихты в конце зоны спекания, примерно на 30 % увеличивается. Это, в свою очередь, повлияло на величину средней скорости нагрева шихты в зоне спекания, она оказалась равной приблизительно 75 град/мин. Средняя же скорость охлаждения агломерата в конце одноимённой зоны составила приблизительно 23 град/мин. При традиционной организации производства агломерата стремятся к тому, чтобы средние скорости нагрева шихты и охлаждения агломерата были равными. При указанном выше соотношении можно сделать вывод о неэффективности зоны охлаждения рассматриваемой схемы, что также подтверждается и повышенной температурой готового агломерата (400 °С). Такая диспропорция в скоростях нагрева шихты и охлаждения агломерата свидетельствует о том, что зона спекания не имеет резервов по приёму всего тепла от охлаждения агломерата. При этом для обеспечения полного охлаждения агломерата до 100 °С длина зоны охлаждения должна быть увеличена с 96 до 200 м. Естественно, это приведёт к снижению температуры воздуха, участвующего в перетоке, до 500-600 °С.
Таким образом, реализация первого варианта тепловой схемы с учётом увеличения зоны охлаждения позволит использовать в зоне спекания тепло от охлаждения агломерата только на 50 %. Остальное тепло горячего воздуха в количестве 260 м3 на тонну агломерата при 4=550 °С является вторичным энергетическим ресурсом. Это тепло целесообразно использовать в энергетических целях для производства электроэнергии, либо в экономайзерах для выработки тепла. Приведённые сведения указывают на перспективность данной схемы. Однако её реализация будет связана с необходимостью увеличения длины агломерационной машины при площади спекания до 315 м2 и создания соответствующего оборудования, что не вызывает каких-либо принципиальных технических трудностей.
Второй вариант тепловой схемы агломерационной машины (рис. 2) рассчитан на её работу также с совмещённым охлаждением, с той лишь разницей, что тепло горячего агломерационного газа используется по двум направлениям:
Энергоресурсосбережение и энергоэффективность ^^ 25 =
- тепло агломерационного газа с повышенным содержанием оксида углерода из коллектора 3 частично расходуется на нагрев шихты, за счёт чего удаётся снизить содержание влаги в шихте и тем самым уменьшить расходную часть теплового баланса машины. Его другая часть направляется в зажигательный горн для сжигания горючих компонентов, содержащихся в газе, и улучшения приходной части теплового баланса зажигательного горна как за счёт химического тепла при сжигании СО, концентрация которого в средних частях агломерационной машины может достигать 2-4 %, так и за счёт физического тепла газов, температура которых согласно расчёту составляет 160 °С. Таким образом, тепло газов из этого коллектора используется для технологических нужд. Более того, существенно снижаются (до 5,5 кг/т агломерата) выбросы оксида углерода в атмосферу;
- тепло агломерационного газа из коллектора 2 вновь возвращается в слой шихты зон стабилизации и спекания, улучшая тепловой баланс верхней части слоя и обеспечивая более «мягкое» охлаждение получаемого спека. Следует отметить, что в газах, собираемых коллектором 2, содержится минимальная для условий работы агломерационной машины концентрация кислорода, которая при уровне подсосов около 50 % может находиться в пределах 14-17 % в зависимости от содержания углерода в шихте. Если учесть стремление к герметизации агломерационных машин, то необходимо предусматривать устройство патрубка для подсоса воздуха в этот поток газа. В этих условиях рециркуляция газа обеспечит рациональное использование тепловых отходов (вторичных ресурсов) агломерационного процесса на технологические нужды.
Природный газ На подогрев
- циклон
Рис. 2. Тепловая схема агломерационной машины с рециркуляцией газов на технологические процессыI
Отходящие газы из коллектора 4 представляют собой практически сухой воздух с относительно невысокой температурой, равной 153 °С. При значительном объёме этого воздуха - 484 000 м3 на тонну агломерата количество тепла, которое он содержит, достаточно велико - 28,17 кВт или 141 МДж на тонну агломерата. Часть потока этого воздуха можно использовать для увеличения доли рецикуляцион-ных газов, а значительно большую часть - для энергетических нужд (бытовых, отопления и пр.). Тепловая схема второго варианта при её реализации
способна обеспечить работу агломерационной машины с расходом углерода в шихте на уровне 2,9 % при значительном (на 22,2 кг на тонну агломерата) снижении выбросов оксида углерода в атмосферу. Однако даже при этом достичь 100 % утилизации тепла отходящих газов для технологических нужд невозможно.
Третий вариант тепловой схемы агломерационной машины (рис. 3) рассчитан на её работу с выносным охладителем агломерата. Третий вариант по организации движения агломерационных газов довольно близок к тепловой схеме второго варианта, если исключить различие в системе охлаждения агломерата. Агломерационные газы из коллектора 2 (рис. 2) так же, как и в предыдущей схеме (рис. 3), направляются в зоны стабилизации и спекания. В начале этой зоны кислород, содержащийся в агломерационных газах (16-18 %), используется для горения топлива. В остальные части зоны агломерационный газ поступает для «мягкого» охлаждения спека. Дроблёный агломерат с температурой 800 °С выгружается в камерный охладитель, в котором охлаждается до 200 °С, то есть до температуры, обеспечивающей безопасную его транспортировку к потребителю.
На подогрев шихты
дымосос электрофильтр - циклон <Е!:= - экономайзер
Рис. 3. Тепловая схема комплекса «агломерационная машина — охладитель» с глубоким использованием вторичный энергетических ресурсов
Одной из важных особенностей камерного охладителя является возможность разделения потока нагреваемого воздуха минимум на две части: первая - поток воздуха с повышенной температурой (450 °С) и расходом 265 000 м3/ч направляется в котел-утилизатор для выработки пара, который может быть использован для получения электрической энергии или в других целях; вторая - поток воздуха с температурой около 200 °С и расходом 475 000 м3/ч может быть передан в зажигательный горн и на подогрев шихты. Таким образом, результаты анализа указывают на перспективность третьего варианта тепловой схемы как с позиций снижения выбросов загрязняющих веществ в атмосферу, так и с позиций энерго- и ресурсосбережения. Эффективность разработанных схем подтверждается зарубежным опытом использования агломерационных машин с подобными тепловыми схемами [3].
ШВШИВСТ
Необходимо добавить, что тепловые схемы всех трёх вариантов предусматривают более эффективную очистку агломерационных газов от пыли, что усиливает эффект защиты окружающей среды и формирует вторичный материальный ресурс, который может быть возвращён в производство.
В целом расчётно-теоретический анализ показал следующее:
1. Вторичные энергетические ресурсы, образуемые при работе агломерационных машин, имеют значительные объёмы и их использование может служить резервом для снижения энергоёмкости металлургического производства. Количественно экономия твёрдого топлива может составлять 22,0-29,7 кг на тонну агломерата.
2. Организация замкнутых газовоздушных потоков в агломерационных машинах за счёт реализации тепловых схем является способом снижения удель-
ных и валовых выбросов вредных веществ в атмосферу, в частности СО. Количественно это снижение составляет до 20 кг СО на тонну агломерата, что позволяет вести процесс агломерации с более высокими показателями экологической чистоты.
В то же время для выбора схемы необходимо дополнительно использовать данные о климатических условиях производства, свойствах исходной шихты, стоимости энергоносителей, величине нормативов выбросов вредных составляющих и др. Только при наличии достаточно полного объёма информации возможно разработать тепловую схему, позволяющую использовать с наибольшей эффективностью энергетические ресурсы и за счёт этого обеспечить экономию топлива, снизить выбросы вредных веществ, а в конечном итоге -минимизировать издержки на производство агломерата.
Литература
1. Коротич В. И., Фролов Ю. А., Бездежский Г. Н. Агломерация рудных материалов: Научное издание -Екатеринбург: ГОУ ВПО «УГТУ-УПИ», 2003. - 400 с.
2. Клейн В. И., Майзель Г. М., Ярошенко Ю. Г., Авдеенко А. А. Теплотехнические методы анализа агломерационного процесса. - Екатеринбург, 2004. - 224 с.
3. Siemens VAI Sintering Selective Waste Gas Recirculation System: Meet the Future's Environmental Requirements Today / Johann Reidetschläger, Stefan Hötzinger, Christoph Aichinger, André Fulgencio / AISTech 2009 Proceedings - Volume I.
Decrease in power consumption of sinter mashines by the improvement of thermal schemes I. S. Bersenev,
Postgraduate student of Ural Federal University named after the first Russian President B. N. Yeltsin, Ekaterinburg V. I. Klejn,
Ph.D., Senior Scientist, Senior Specialist, NPVP TOREKS, Ekaterinburg V. I. Matyukhin,
Ph.D., Associate professor of Ural Federal University named after the first Russian President B. N. Yeltsin, Ekaterinburg Yu. G. Yaroshenko,
D.T.S., professor of Ural Federal University named after the first Russian President B. N. Yeltsin, Ekaterinburg
The settlement-theoretical analysis of various perspective thermal schemes of sinter mashines is presented. The quantitative estimation of reserves of economy of fuel at the expense of recycling of secondary power resources sintering process is made.
Keywords: sinter mashine, thermal scheme, recirculation, waste gases, cooler, energy-efficiency, sinter, fuel consumption.
