Бологова Валентина Владимировна. Повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства на основе использования природного газа в установках сухого тушения кокса

Краткое описание

Бологова Валентина Владимировна. Повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства на основе использования природного газа в установках сухого тушения кокса: диссертация ... кандидата Технических наук: 05.14.04 / Бологова Валентина Владимировна;[Место защиты: «Национальный исследовательский университет «МЭИ»].- Москва, 2016

СОДЕРЖАНИЕ
Список сокращений и условных обозначений
4
Введение
6
Глава 1. Влияние коксохимического производства на энерготехноло-гическую эффективность металлургического комбината
15
1.1. Современное состояние коксохимического производства
16
1.2. Показатели качества металлургического кокса
25
1.3. Оценка потенциала энергосбережения в энерготехнологиче-ской системе сухого тушения кокса
33
1.4. Постановка задачи
36
Глава 2. Анализ и оценка возможностей повышения качества кокса
37
2.1. Повышение качества кокса за счет моделирования состава шитхы на стадии подготовки угольной шихты и коксования
37
2.2. Описание процесса и результатов экспериментальных иссле-дований по возможности повышения качества кокса на стадии сухого тушения
43
2.3. Диагностирование прочности кокса с применением метода ядерно-магнитного резонанса
47
2.4. Суть нового способа сухого тушения кокса
50
Выводы по главе 2
52
Глава 3. Теоретическое обоснование нового способа сухого тушения кокса
53
3.1. Кинетика разложения метана
53
3.2. Анализ результатов численных исследований процесса охла-ждения кокса
57
3.3. Расчет расхода природного газа для повышения прочности кокса с использованием теории пористости кокса
61
Выводы по главе 3
67
Глава 4. Повышение энерготехнологической эффективности коксо-
3
химического производства на основе использования нового способа тушения кокса
68
4.1. Технологические решения по модернизации существующих УСТК с целью использования нового способа сухого тушения кокса
69
4.2. Тепловой и материальный баланс энерготехнологической системы сухого тушения кокса до и после модернизации
72
4.3. Обоснование выбора утилизационного оборудования
90
4.4. Оценка энерготехнологической эффективности и экономиче-ской целесообразности применения нового способа сухого тушения кокса
94
Выводы по главе 4
103
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ
104
Библиографический список
106
ПРИЛОЖЕНИЯ
119
4
Список сокращений и условных обозначений
ВЭР – вторичные энергетические ресурсы;
КБ – коксовая батарея;
КУ – котел-утилизатор;
КХП – коксохимическое производство;
МК – металлургический комбинат;
ПТУ – паротурбинная установка;
СТК – сухое тушение кокса;
ТУЭС – теплоутилизационная электростанция;
ТЭБ – топливно-энергетический баланс;
ТЭР – топливно-энергетические ресурсы;
УМК – усредненный металлургический комбинат;
УСТК – установка сухого тушения кокса;
ЯМР – ядерно-магнитный резонанс;
М10 – истираемость кокса;
М25 – дробимость кокса;
М25/40 – холодная прочность кокса;
СAL – алкильный углерод;
СAR – ароматический углерод;
CRI – реакционная способность кокса;
CSR – горячая прочность кокса;
Pr – пористость кокса;
св – теплоемкость воздуха, поступающего в результате подсоса воздуха
и утечек циркулирующих газов;
сг – средняя теплоемкость циркулирующих газов, теряемых в атмосферу
в результате подсосов воздуха и утечек циркулирующих газов;
к
сг , к.т
сг – теплоемкость циркулирующих газов на входе в котел и на вхо-
де в камеру тушения, соответственно;
5
ск1, ск2 – теплоемкость горячего и потушенного кокса, соответственно;
G – часовая производительностью УСТК по коксу;
tв – температура воздуха, поступающего в результате подсосов воздуха
и утечек циркулирующих газов;
tк1, tк2 – температура горячего и потушенного кокса, соответственно;
tг – средняя температура газов;
к
tг , к.т
tг – температура циркулирующих газов на входе в котел и на входе
в камеру тушения, соответственно;
СН4 g – количество природного газа, подаваемого в УСТК на каждую
тонну кокса;
gк – количество углерода, осажденного на коксе в результате реакции
термического разложения природного газа, подаваемого на 1 т кокса;
прод
Н 2
g – количество выделившегося водорода при термическом разложе-
нии природного газа, подаваемого на 1 т кокса;
прод
СН4
g – количество неразложившегося метана, подаваемого на упрочне-
ние 1 т кокса;
Vц.г – объем циркулирующих в УСТК газов;
Vп.у – объем воздуха для сжигания 1 кг кокса по реакции С+О2=СО2;
к – степень угара кокса при тушении.
6
Введение
Задачи рационального использования энергетических и сырьевых ресур-сов, а также сохранения природы приобретают все большее значение из-за прогрессирующего, в результате увеличивающегося промышленного потреб-ления, сокращения сырьевых и топливно-энергетических запасов планеты и возрастающего загрязнения окружающей среды промышленными отходами.
Эти проблемы особенно остро стоят перед предприятиями черной ме-таллургии, которые являются крупнейшими потребителями энергоресурсов, минерального сырья, воды и воздуха, а так же, одновременно, и крупными источниками нарушения экологического равновесия в природе.
Важнейшая задача при любом производстве – это повышение эффектив-ности использования материальных и топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). При решении этой задачи часть прироста потребности в топливе, энергии, сырье и материалах может быть обеспечена за счет их экономии. В условиях рыночной экономики, когда промышленные предприятия и их объ-единения перешли на полный хозяйственный расчет и самофинансирование, эта задача приобретает особую остроту и актуальность.
Черная металлургия является одним из крупнейших потребителей наи-более ценных видов топлива, потребляя более 10% топлива, добываемого в стране и более 15% электроэнергии, расходуемой промышленностью [100]. Доля затрат на топливо и энергию в общих затратах на производство продук-ции в этой отрасли составляет около одной трети. По этому показателю от-расль черной металлургии занимает одно из первых мест.
Около 75% стали выплавляется на металлургическом комбинате (МК), являющимся предприятием полного цикла. Наиболее крупными потребите-лями топлива в отрасли являются доменное и прокатное производство, а теп-ловой энергии – коксохимическое производство (КХП).
7
Производство кокса относится к высокотемпературным процессам и по-требляет значительное количество тепловой энергии, расход которой состав-ляет в среднем 3,0-3,5 ГДж/т кокса. В настоящее время в РФ производится 30 млн т кокса в год, при этом затраты топливно-энергетических ресурсов со-ставляют 3,5 млн т у.т. На долю коксохимического производства приходится 35-40% суммарного потребления пара металлургическим комбинатом. В то же время коксовые батареи – основной источник вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), выход которых составляет около 60% от первичного энерго-потребления. В основном это тепловые ВЭР.
Наибольшие потери тепла на данном переделе происходят при тушении кокса. В настоящее время на коксохимических предприятиях применяют два способа тушения кокса: мокрый и сухой. При мокром способе раскаленный кокс орошается водой, для этого используют сточные воды коксохимическо-го производства. Использование способа мокрого тушения кокса приводит к значительным потерям тепла, загрязнению воздушного и водного бассейнов, при этом содержание некоторых вредных веществ в несколько раз превыша-ет допустимую норму. При сухом тушении кокс охлаждается в специальных установках циркулирующими газами, чаще всего инертными.
В РФ по статистике лишь 30% кокса на коксохимическом производстве тушится сухим способом, в результате этого физическая тепловая энергия горячего кокса используется не более чем на 30%. Применение сухого туше-ния приводит к снижению потерь тепловых ВЭР горячего кокса, т.к. тепловая энергия, полученная циркулирующими газами, используется для выработки пара в котлах-утилизаторах (КУ). Однако на российских МК этот пар факти-чески не используется для выработки электроэнергии на теплоутилизацион-ных электростанциях в связи с низкими параметрами (4 МПа, 4400С). В РФ только на ПАО «Северсталь» существует ТУЭС мощностью 16 МВт.
Кроме этого, расход кокса в доменных печах, зависящий от его качест-ва, во многом определяет структуру топливно-энергетического баланса все-го металлургического комбината в связи с тем, что доменное производство
8
является наиболее крупным потребителем топлива в отрасли. Поэтому од-ной из основных задач КХП является получение качественного металлурги-ческого кокса. В первую очередь, это повышение горячей и холодной проч-ности кокса, которые влияют на эффективность доменного производства по выплавке чугуна.
Степень разработанности этой проблемы на современном этапе разви-тия КХП является не достаточной в связи с тем, что в настоящее время в ус-тановках сухого тушения кокса (УСТК) не полностью используются воз-можности повышения горячей прочности кокса. В частности, при сухом ту-шении кокса не используются возможности повышения горячей прочности кокса (CSR) за счет изменения молекулярной структуры кокса.
Значимость решения проблем увеличения прочности кокса при его су-хом тушении и повышения параметров вырабатываемого в котлах-утилизаторах КХП пара, и не достаточная разработанность многих их аспек-тов [29, 65] определили актуальность темы диссертационного исследова-ния.
Таким образом, целью данной работы является повышение энерготех-нологической эффективности коксохимического производства за счет ком-плексного решения проблемы упрочнения кокса и максимально возможного использования тепловых вторичных энергетических ресурсов горячего кок-са при его сухом тушении.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
 определение потенциала энергосбережения и направлений повышения энерготехнологической эффективности коксохимического производства;
 расчет экономии топливно-энергетических ресурсов в доменном про-изводстве в результате повышения прочности кокса;
 разработка и обоснование нового способа сухого тушения кокса с ис-пользованием природного газа;
 определение расхода природного газа, подаваемого в форкамеру уста-новки сухого тушения кокса с целью упрочнения кокса;
9
 разработка технологической схемы установки сухого тушения кокса, позволяющей снизить потери тепловой энергии горячего кокса и повысить прочность кокса;
 моделирование работы теплоутилизационного оборудования на кок-сохимическом производстве, выбор паровых турбин и определение режимов их работы;
 оценка энерготехнологической эффективности и экономической целе-сообразности применения нового способа сухого тушения кокса в теплотех-нологическом комплексе черной металлургии.
Объектом исследования является энерготехнологическая система су-хого тушения кокса, которая включает в себя установку сухого тушения кокса, котел-утилизатор и систему использования пара, вырабатываемого в котле-утилизаторе.
Предметом исследования в работе являются физико-химические про-цессы, происходящие в установке сухого тушения кокса и влияющие на энерготехнологическую эффективность этой системы.
Теоретической и методологической базой исследования являются:
 прочностные характеристики кокса и их зависимость от способа ох-лаждения кокса;
 результаты исследований процесса разложения природного газа и взаимодействия продуктов его разложения с углеродом кокса;
 способы и устройства для подвода охлаждающего газа в УСТК;
 методика расчета теплового баланса УСТК;
 состав охлаждающего газа;
 варианты котлов-утилизаторов и утилизационных турбин для систе-мы сухого тушения кокса.
В первой главе диссертации приведен результат обзора литературы по теме диссертации, основной задачей которого являлся анализ современного состояния КХП, энерготехнологической системы сухого тушения кокса, в
10
том числе и конструктивных особенностей УСТК, эксплуатирующихся на МК РФ. Проведен анализ величины вторичных энергетических ресурсов, об-разующихся на КХП, анализ прочностных характеристик кокса и требований к качеству металлургического кокса. В результате выполненной оценки оп-ределен потенциал энергосбережения на КХП. По основным энерготехноло-гическим показателям проведено сравнение эффективности работы россий-ских УСТК с современными зарубежными установками. Во второй главе представлено описание процесса и результатов экспериментальных исследо-ваний по изменению горячей прочности кокса, приведены значения показа-телей прочности кокса, полученного в результате эксперимента, описана суть предлагаемого нового способа сухого тушения кокса. Третья глава посвяще-на теоретическому обоснованию нового способа СТК. В этой главе обосно-вывается используемая в работе химическая кинетика разложения метана, проводятся численные исследования происходящих процессов разложения и проводится расчет расхода природного газа, подаваемого в УСТК с целью повышения прочности кокса. В четвертой главе приведены и обоснованы технологические решения по модернизации системы сухого тушения кокса – решения, позволяющие повысить энерготехнологическую эффективность КХП. Разработана методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса. Проведен расчет теплового и материального ба-ланса УСТК для условий традиционного и нового способов сухого тушения. Выполнен расчет выработки пара различных параметров на МК РФ при ус-ловии 100% СТК и осуществлен выбор паровых турбин, возможных к ис-пользованию на ТУЭС в зависимости от мощности металлургического ком-бината. Представлены результаты расчетов и анализа топливно-энергетического баланса усредненного металлургического комбината. Опре-делено снижение энергоемкости стали и дана оценка энерготехнологической эффективности и экономической целесообразности внедрения предлагаемых мероприятий на металлургических предприятиях РФ.
11
Научная новизна работы заключается в следующем:
 Впервые экспериментально доказана возможность упрочнения кокса в области высоких температур при продувке его природным газом, позволяю-щая снизить расход кокса в доменной печи.
 Разработан новый способ сухого тушения и упрочнения кокса с ис-пользованием природного газа, позволяющий снизить расход топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве.
 Разработана методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса с определением возросшего выхода кокса и водо-рода.
 Впервые осуществлено системное решение задачи повышения энерго-технологической эффективности теплотехнологического комплекса черной металлургии за счет упрочнения кокса и увеличения производства тепловой и электрической энергии.
Практическая ценность. Внедрение мероприятия по повышению энер-готехнологической эффективности системы сухого тушения кокса на россий-ских металлургических комбинатах позволит:
 увеличить показатель горячей прочности кокса (CSR) на 6,1%, что приведет к снижению расход кокса в доменной печи на 12,2 кг кокса на 1 т чугуна;
 увеличить выход кокса из УСТК на 1,04% в результате осаждения уг-лерода при термической реакции разложения природного газа в форкамере УСТК;
 повысить на 24,6% выработку тепла в КУ за счет использования теп-ловой энергии, получаемой от дожигания продуктов разложения природного газа в газовом тракте системы сухого тушения кокса, что позволит увеличить выработку электроэнергии на теплоутилизационной станции. Вследствие этого объем покупаемой электрической энергии для нужд металлургическо-го комбината сократится на 30,6%.
12
В результате снижение топливно-энергетических ресурсов на металлур-гическом комбинате составит 3,4%.
Суммарный экономический эффект для металлургического комбината в зависимости от его мощности составит 0,8-2,4 млрд.руб.
Достоверность и обоснованность результатов. Приведенные в диссер-тационной работе результаты и выводы базируются на проведенных энерго-технологических обследованиях металлургических комбинатов ОАО «ЕВ-РАЗ ЗСМК» и ПАО «Северсталь», экспериментальных и численных исследо-ваниях.
Личный вклад автора. Основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н., проф. Султангузина И.А.
Положения, выносимые на защиту: 1. Результаты натурного эксперимента по повышению прочности кокса. 2. Новый способ сухого тушения и упрочнения кокса. 3. Методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса с определением возросшего выхода кокса и водорода и ре-зультаты численных расчетов по этой методике. 4. Рекомендации по повышению энерготехнологической эффективности коксохимического производства.
Апробация результатов работы. Основные положения работы, резуль-таты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 13, 14, 15, 18, 19 и 22 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва. 2007 – 2016 гг.) и 12 Всероссийской научно-практической конфе-ренции студентов, аспирантов и специалистов в Магнитогорске «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (г. Магнитогорск, Магнито-горский государственный технический университет им. Г.И. Носова, 2011 г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 научных ра-бот, 3 из который опубликованы в журналах, входящий в перечень ведущих рецензируемых изданий ВАК РФ:
13
1. Султангузин И.А. Повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства за счет использования природного газа в ус-тановках сухого тушения кокса / И.А. Султангузин, В.В. Бологова, А.М. Гюльмалиев, В.С. Глазов, Р.Б. Белов // Кокс и химия. – 2016. - №2. – С. 34-41.
2. Гюльмалиев А.М. Компьютерное моделирование прочности метал-лургического кокса/ А.М. Гюльмалиев, И.А. Султангузин, В.В. Бологова // Химия твердого топлива. – 2012. - №2. – С. 22-24.
3. Бологова В.В. Об одном из способов повышения качества кокса в ус-тановке сухого тушения кокса / В.В. Бологова, И.А. Султангузин, А.М. Гюльмалиев // Кокс и химия. – 2011. - №10. – С. 12-17.
4. Бологова В.В. Оценка энергетической эффективности применения нового способа сухого тушения кокса / В.В. Бологова, И.А. Султангузин // 22-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспи-рантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. – 2016. – Т. 2. – С. 334.
5. Бологова В.В. Повышение энерготехнологической эффективности системы сухого тушения кокса / В.В. Бологова, И.А. Султангузин // 19-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. –2013. – Т. 3. – С. 178.
6. Бологова В.В. Оптимизация коксохимического производства по энер-гетическому критерию/ В.В. Бологова, М.В. Исаев, И.А. Султангузин // Энер-гетики и металлурги настоящему и будущему России: материалы 12-й Все-рос. науч.-практ. конф. студентов, аспирантов и специалистов. Магнито-горск: Изд-во Магнитогорск. – 2011. – С. 48-51.
7. Бологова В.В. Повышение качества кокса при обработке его природ-ным газом в УСТК / В.В. Бологова, И.А. Султангузин, А.М. Гюльмалиев // Материалы V-ой Международной научно-практической конференции «Энер-госберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология.
14
Безопасность технологических процессов». М.: Издательство МИСиС. – 2010. – С. 29-35.
8. Исаев М.В. Разработка единой математической модели горения и теп-лообмена на основе программного комплекса FLUENT/ М.В. Исаев, В.В. Бо-логова, И.А. Султангузин // 14-ая Международная научно-техническая кон-ференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. – 2008. – Т. 2. – С. 393-394.
9. Бологова В.В. Анализ энергетической и экономической эффективно-сти системы утилизации пара установок сухого тушения кокса / В.В. Болого-ва, М.В. Исаев, И.А. Султангузин // 13-ая Международная научно-техническая конференция студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, элек-тротехника и энергетика». М.: Издательский дом МЭИ. – 2007. – Т. 2. – С. 486-487.
10. Bologova V.V. Enhancing Coke Quality in Dry Slaking / V.V. Bologova, I.A. Sultanguzin, A.M. Gyul’maliev // Coke and Chemistry. – 2011. – V.54. – № 10. – P. 362-365.
11. Gyul’maliev A.M. Simulation of the Strength of Metallurgical Coke / A.M. Gyul’maliev, I.A. Sultanguzin, V.V. Bologova // Solid Fuel Chemistry. – 2012. – V.46. – № 2. – P. 90-92.
Структура и объем работы. Диссертация изложена на 126 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, заключения, списка литературы и 3 приложений. Работа содержит 25 рисунков и 24 таблицы, список исполь-зованных литературных источников содержит 122 наименования.
Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образо-вательном учреждении высшего образования «Национальный исследователь-ский университет «МЭИ».

Список литературы

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ В результате проведенного диссертационного исследования были получе-ны следующие основные результаты:
1. Потенциала энергосбережения в КХП за счет комплексного решения проблемы упрочнения кокса и максимально возможного использования теп-ловых ВЭР горячего кокса составляет 1,81 млн т у.т., из них 1,2 млн т у.т. за счет снижения расхода кокса в доменных печах в результате повышения его прочности.
2. Проведен натурный эксперимент и осуществлена разработка и обос-нование нового способа СТК, применение которого позволит:
 снизить расход кокса в доменной печи на 12,2 кг кокса на 1 т чугуна. При выплавке 3,2-9,5 млн т чугуна в год снижение расхода кокса составит 38,4-115 тыс.т кокса в год;
 увеличить выход кокса из УСТК на 1,04% в результате осаждения уг-лерода при термической реакции разложения природного газа в форкамере УСТК. При выдаче 1,5-4,5 млн.т кокса в год увеличение выхода кокса соста-вит 15-47 тыс.т кокса в год.
В результате расход коксующихся углей снижается на 3,6%.
3. На основании анализа структуры кокса определен расход природного газа, подаваемый на упрочнение 1 т кокса – 20,5 м3.
4. Разработана технологическая схема УСТК с использованием нового способа СТК при внедрении которой прочность кокса возрастет на 6,1%, вы-работка тепловой энергии в КУ – на 24,1%, а выработка электроэнергии – на 122,5 кВт·ч/т кокса.
4. Проведены расчеты по выработке пара и осуществлено моделирова-ние работы утилизационного оборудования на КХП российских МК.
5. Рассчитан энерготехнологический эффект для УМК: потребления ТЭР на МК сокращается на 255 тыс. т у.т. (3,4%), что приводит к снижению
105
удельного расхода энергии на выработку тонны стали на 215,4 Мкал/т стали (0,9 ГДж/т стали).
Суммарный экономический эффект для металлургического комбината в зависимости от мощности его КХП составит 0,8-2,4 млрд руб.