© Виталий Александрович Скляр, 2017

© Виталий Александрович Скляр, иллюстрации, 2017

Корректор Ольга Игоревна Бражникова

ISBN 978-5-4483-7624-5

Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero

Предисловие

Проблема энерго- и ресурсосбережения с каждым годом становиться все острее и острее. Это связано с истощением топливных ресурсов, постепенным ухудшением качества рудного сырья и ростом цен на некоторые виды ресурсов. Поэтому проблемы рационального расходования топливных ресурсов и эффективного использования готового металлопроката являются одними из самых актуальных мировых проблем в металлургическом комплексе.

При написании данного учебного пособия была поставлена цель собрать информацию о большинстве используемых в мировой практике энерго- и ресурсосберегающих технологий, которые используют ведущие металлургические предприятия и производители металлургического оборудования.

В данном пособии рассмотрены вопросы ресурсо- и энергосбережения по всей технологической цепочке, начиная от подготовки рудного сырья и заканчивая производством готовой металлопродукции. Широко представлены современные высокотехнологичные процессы, в том числе, которые не используются в отечественной металлургии.

1. Энерго- и ресурсопотребение на металлургическом предприятии

§1. Потребление энергии в структуре предприятия

Предприятия черной металлургии потребляют большое количество топлива, тепловой и электрической энергии. В целом в России они потребляют около 90% коксующегося угля, 50% электроэнергии и 25% природного газа от всего объема производимых и добываемых в стране. При этом считается, что более 50% энергоресурсов используются нерационально.

Следует отметить, что из всех видов энергоресурсов наиболее распространенным является использование топлива доля потребления, которого в общем балансе составляет более 90%, в то время как доля электроэнергии и тепловой энергии существенно ниже. Поэтому большинство энергосберегающих мероприятий направлено именно на снижение расхода топлива в различных технологических процессах.

Структуру потребления различных энергетических ресурсов в общем энергетическом балансе плавки стали при использовании доменного производства можно представить в виде диаграммы, изображенной на рисунке 1.1.

Рисунок 1.1 – Структура потребления энергетических ресурсов в общем балансе плавки стали при использовании доменного производства

Таким образом, первое место в потреблении энергоресурсов занимает кокс, на втором месте идет природный газ, третье место занимает вторичный энергоресурс – доменный газ.

Если же на металлургическом предприятии отсутствует доменный процесс, а в качестве сталеплавильного агрегата используется дуговая сталеплавильная печь (ДСП), то наибольшее место в структуре потребления энергетических ресурсов занимает электроэнергия (см. рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Структура потребления энергетических ресурсов в общем балансе плавки стали при использовании электросталеплавильного производства

Если рассмотреть распределение потребления энергетических ресурсов по цехам металлургического завода (рисунки 1.3—1.5), то, наиболее энергоемким являются доменное и прокатное производства, в которых потребляется и набольшее количество топливных ресурсов (кокс и природный газ, соответственно).

Рисунок 1.3 – Структура потребления энергетических ресурсов на заводе с доменным производством

Рисунок 1.4 – Структура потребления энергетических ресурсов на заводе с электросталеплавильным производством

Рисунок 1.5 – Структура потребления энергетических ресурсов на заводе с установками прямого восстановления железа

Затраты энергии на производство 1 тонны продукции обычно определяются ее энергоемкостью, которая является важнейшим показателем производства, поскольку определяет его эффективность и напрямую влияет на себестоимость произведенной продукции.

§2. Энергоемкость продукции

Энергоемкость продукции – это комплексный показатель, показывающий суммарный расход энергии на единицу продукции. В энергоемкость входят затраты всех видов энергетических ресурсов, которые были затрачены на производство продукции. Поскольку разные виды энергетических ресурсов имеют разные единицы измерения (кВт•ч, м³, ккал, т и т.д.) то для удобства проведения сравнительных расчетов все затраты энергии необходимо пересчитать в так называемые в тонны условного топлива или ГигаДжоули – ГДж.

Тонна условного топлива (т у.т.) – является искусственной единицей измерения. За 1 тонну условного топлива принято считать то количество энергии, которое выделяется при сгорании 1 тонны каменного угля с теплотой сгорания 7000 ккал/кг. Это количество равно,93×10¹⁰ Дж.

Средние затраты энергии на производство 1 тонны готового проката составляют: Россия – 1,24; Япония – 0,90; страны Евросоюза – 0,99 т у.т./т.

В целом энергоемкость произведенного проката зависит от способов выплавки стали и ее разливки. Так, в случае производства сортового проката с использованием слиткового передела, затраты на 1 тонну проката составят 1350 кг у.т./т, а при разливке на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) – 1180 кг у.т./т. При производстве же тонколистового проката из мартеновской стали и разливки в слитки, затраты на 1 тонну проката составят 1110 кг у.т./т, в то время как при использовании кислородно-конвертерного способа и разливки на МНЛЗ – 1070 кг у.т./т. Такая небольшая разница объясняется тем, что в мартеновском производстве можно использовать большое количество металлолома, на получение которого практически не надо затрачивать энергию, в то время как шихта для кислородного конвертера состоит в основном из чугуна, производство которого, потребляет много энергии.

Поэтому, даже учитывая то, что кислородно-конвертерный способ сам по себе экономичнее мартеновского в 12…18 раз, сквозные затраты энергии при переходе с одного способа на другой фактически не уменьшаются. В то время, как переход от получения заготовки с помощью слиткового передела к разливке на МНЛЗ существенно уменьшает затраты энергии на производство готового проката.

Вопросы для самоконтроля

1. Приведите структуру энергопотребления металлургического предприятия и назовите основные виды топлив, которые потребляются в металлургии.

2. Что называется энергоемкостью продукции? Какое из металлургических производств наиболее энергоемкое?

3. Чему соответствует 1 тонна условного топлива?

2. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии

§1. Классификация вторичных энергетических ресурсов

Многие металлургические агрегаты характеризуются не только большим потреблением энергоресурсов, но и имеют при этом низкий коэффициент полезного действия (КПД), из-за больших потерь тепла в окружающую среду, обусловленных особенностью их конструкции. В большинстве случаев эти потери тепла уменьшить нельзя, но можно использовать данное тепло на другие нужды.

В коксовых батареях, доменных печах, кислородных конвертерах и некоторых других агрегатов в процессе основного производства образуются искусственные технологические газы, которые затем можно использовать как топливный ресурс для печей или котлов.

Данные тепловые и топливные ресурсы называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР).

Вторичные энергоресурсы – это содержащаяся в продукции или отходах энергия, которая не используется в основном технологическом агрегате, но может применяться в других агрегатах.

Таким образом, к ВЭР не может относиться, например, подогрев воздуха перед подачей в печь с помощью рекуператора, так как тепло отходящих газов будет использоваться в самом агрегате. Но если тепло отходящих газов направить в котел-утилизатор, то такой источник тепла будет относиться к ВЭР.

За счет использования ВЭР на предприятии можно покрыть потребности в тепловой энергии на 30…70%.

Все имеющиеся ВЭР можно разделить на три группы: горючие, тепловые и ВЭР избыточного давления (рисунок 2.1).

Рисунок 2.1 – Классификация вторичных энергетических ресурсов

Горючие ВЭР – это отходы основного производства, используемые в качестве топлива для других агрегатов. К ним относятся различные технологические газы, которые образуются в основном производственном агрегате во время технологического процесса. Горючие ВЭР образуются во многих технологических агрегатах, причем в больших объемах, и поэтому широко используются на металлургических предприятиях. Использование горючих ВЭР позволяет экономить до 20% и более привозного топлива (природного газа, угля, мазута и т.д.).

Тепловые ВЭР – это теплосодержание печных газов, воды из системы охлаждения, жидкого, кристаллизующегося или нагретого под прокатку металла, шлака, и т.д, которое можно использовать как источник теплоэнергии для других нужд. Обычно они используются для нагрева воздуха и газа для горения в печах, других исходных материалов (например, металлолома) а также для выработки горячей воды или пара. Источники тепловых ВЭР разнообразны и встречаются фактически на каждом звене технологической цепочки производства металла, поскольку большинство металлургических процессов происходит при высокой температуре.

Тепловые ВЭР используются в основном в котлах-утилизаторах для получения пара или горячей воды, камерах предварительного подогрева шихтовых материалов, в контактных нагревателях, а также в системах испарительного охлаждения (СИО).

Тепловые ВЭР по величине их температуры можно условно разделить на высокотемпературные (более 600 °С), среднетемпературные (300…600 °С) и низкотемпературные (менее 300 °С). В основном используются высокотемпературные тепловые ВЭР, поскольку эффект от их применения велик.

Использование низкотемпературных ВЭР возможно в так называемой турбине Рэнкина (Organic Rankine Cycle – ORC). Это турбина специальной конструкции, в которой в качестве рабочего вещества используется не вода, а другое вещество с низкой температурой кипения (например, аммиак или фреон). Низкотемпературные ВЭР подаются в теплообменник, где отдают тепло этому теплоносителю, полученный низкотемпературный пар подается на турбину, которая вырабатывает электрическую энергию.

К ВЭР избыточного давления относят газ, воду или пар, которые, выходя из основного производственного агрегата, имеют высокое давление, которое можно использовать на турбине для получения электроэнергии. В этом случае в основном применяются газовые бескомпрессорные утилизационные турбины (ГУБТ).

Все рассмотренные виды ВЭР в больших количествах образуются и используются на металлургических предприятиях..

В качестве горючих ВЭР используются коксовый газ, доменный газ и конвертерный газ. Характеристика данных газов приведена в таблице 1.1

Таблица 1.1 – Характеристика топливных ВЭР

§2. Вторичные энергетические ресурсы в доменном производстве

Доменный газ – это наиболее часто используемый топливный ВЭР, который образуется в доменной печи в процессе горения кокса в фурменной зоне и последующего прохождения через слой шихты с восстановлением железа из рудного материала. Горючий потенциал коксового газа объясняется наличием СО, который не успел прореагировать с оксидами железа в рудной части шихты.

Сжигание доменного газа производится в паровых котлах, а также в нагревательных колодцах и методических печах прокатных цехов. Однако это использование опасно из-за большой токсичности доменного газа (наличие в его составе СО – угарного газа) и требует повышенных мер безопасности с постоянным контролем состава воздуха в цеху. Возможно применение доменного газа и для работы коксовых батарей, а также для доменных воздухонагревателей. Может применяться, как только сам доменный газ, так и смесь его с другими видами топлива. За счет сжигания доменного газа возможно покрытие до 30…40% потребности в тепловой энергии металлургического комбината.

Использование доменного газа как теплового ВЭР нерационально из-за его низкой температуре на выходе из печи.

Кроме горючего потенциала доменный газ имеет избыточное давление на выходе их печи, величина которого составляет 0,15…2,4 МПа и зависит от производительности печи. Использование данного избыточного давления производится путем пропускания доменного газа через ГУБТ, которая вырабатывает электрическую или механическую энергию для производственных нужд.

В доменном цехе образуются и тепловые ВЭР. Используется в основном тепло дымовых газов доменных воздухоподогревателей. Температура этих газов может составлять 150…600 °С. Теплосодержание этих газов применять их в котлах-утилизаторах, а также для нагрева самого доменного газа до подачи в газовую утилизационную бескомпрессорную турбину.