Утилизация вторичных энергетических ресурсов металлургического производства

     На  эффективность использования ВЭР  конвертеров существенное влияние  оказывает способ отвода газов от них. В настоящее время применяют  три варианта:

     - с полным дожиганием СО перед котлом-утилизатором, т.е. с утилизацией физического тепла конвертерных газов и их энергетического потенциала. В этом случае в атмосферу сбрасывается обеспыленный охлажденный газ, содержащий СО₂, О₂, N₂ и пары воды;

     - с частичным дожиганием СО перед котлом-утилизатором (при коэффициенте а расхода воздуха, равном 0,3-0,6) и полным его сжиганием на «свече» при сбросе газов в атмосферу. В данном варианте используется их физическое тепло и, частично, энергетический потенциал;

     - без дожигания СО перед котлом-утилизатором и его сжиганием на «свече» при сбросе газов в атмосферу (отечественная практика) или применением в качестве топлива (иностранный опыт). В первом случае утилизируется лишь их физическое тепло (при а = 0).

     В любом из рассмотренных вариантов  очистка газов производится после  их использования в котле-утилизаторе.

     Схема утилизации тепла конвертерных газов  с полным их дожиганием перед к/у  применяется для агрегатов с  емкостью садки по стали до 150 т. Сжигание осуществляется в газоходах паровых котлов. В этой схеме серийные котлы-утилизаторы, или ОКГ (охладители конвертерных газов), имеют производительность по пару 160-210 т/ч при его пиковом давлении до 5 МПа.

     В связи с внедрением в промышленность большегрузных конвертеров емкостью до 400 т стали и связанным с этим увеличением объема вдуваемого кислорода количество выделяющихся газов значительно возрастает. Их дожигание приведет к такому росту объема продуктов сгорания, который существенно увеличит габаритные размеры и стоимость всей установки. В этих условиях рациональной является система газоотвода без дожигания.

     В котлах ОКГ-400 (цифра - масса садки  металла в конвертере) паропроизво-дительность  достигает 325 т/ч (в максимальном режиме).

     Полагают, что системы ОКГ без дожигания  целесообразны также для конвертеров с донной и комбинированной продувкой [3].

     Охлажденный в ОКГ и очищенный конвертерный газ может улавливаться (направляться в газгольдер). В этом случае, в  соответствии с иностранной практикой, газ поступает в струйные охладители и полые скрубберы, затем в трубы Вен-тури и далее в центробежные скрубберы (мокрые циклоны), после которых попадает в газгольдер. Такие системы улавливания конвертерного газа с усреднением его состава и расхода в газгольдерах (мокрых или сухих) и последующим использованием в качестве топлива весьма распространены за рубежом. В Японии ими оборудовано около 90% работающих конвертеров.

     Мокрые  газгольдеры представляют собой емкость для воды, над которой размещен резервуар телескопической конструкции (верх ее способен подниматься, увеличивая объем резервуара).

     В сухих газгольдерах поршень поднимается и опускается в результате изменения объема газа. Его верхнее положение соответствует полному заполнению газгольдера.

     Вместимость газгольдеров составляет от 30 до 70 тыс. м при производительности конвертеров 150-330 т.

     Отметим, что на отечественных заводах  конвертерный газ не улавливается.

     В целом его энергетический потенциал  в настоящее время используется лишь частично и только в самом  конвертерном производстве. В качестве причин, сдерживающих полную утилизацию этого газа, обычно указывают нестабильность его выхода, изменяющийся по ходу плавки состав, взрывоопасность при содержании в нем 12,5-75 % СО.

     Коксовый  газ - третий крупный источник горючих ВЭР черной металлургии. Из 1 т сухой шихты, помимо 750-800 кг кокса, получают 320-330 м коксового газа, а также 33 кг каменноугольной смолы, 80 - подсмольной воды, 11 - сырого бензола, 3 - аммиака, которые перерабатывают в химические продукты. Из искусственных газообразных топлив (доменного, смешанного, конвертерного, генераторного) коксовый газ обладает наибольшей теплотой сгорания (свыше 17 тыс. кДж/м³).

     Следует отметить в целом высокий выход  ВЭР в коксохимическом производстве (около 80 % от первичного энергопотребления). Это прежде всего энергетический потенциал коксового газа, выполняющего функции теплового и горючего ВЭР, а также физическое тепло кокса (тепловой ВЭР, не относящийся к газовым).

     Потенциал коксового газа как теплового  ВЭР определяется тем обстоятельством, что он покидает печь с температурой 700-800 °С и его теплосодержание составляет около 1000 МДж/т кокса, или до 30 % расхода тепла.

     Физическую  теплоту коксового газа отбирают на разных стадиях охлаждения: в стояках коксовых камер - от 700-800 до 400 °С; в газосборниках - от 400 до 82 °С; в первичных холодильниках - от 82 до 30 °С. Используется теплота первой и третьей стадий.

     Для утилизации теплоты первой стадии стояки оборудуют теплообменниками, через которые в замкнутом контуре циркулирует теплоноситель. Его теплота может направляться для получения пара, горячей воды, нагрева органических теплоносителей. Теплота третьей стадии охлаждения применяется для подогрева улавливающих растворов цеха сероочистки коксового газа.

     Физическая  теплота кокса, выгружаемого из камеры, составляет порядка 50 % от расходуемой на коксование. Ее утилизируют при сухом тушении кокса, т.е. охлаждении последнего в камере циркулирующим инертным газом (азотом). Нагревшись до 750-800 °С, газ поступает в теплообменник вторичного теплоносителя (паровой котел, воздухо- или газоподогреватель, подогреватель угольной шихты или сочетание различных теплоиспользующих аппаратов и силовых установок).

     Наибольшее  распространение получило сухое  тушение кокса с подачей теплоты в котельные установки для выработки пара (давление в перегретом состоянии до 39 МПа, температура 440 °С). Охлажденный до 150-170 °С газ очищается в циклонах от пыли и возвращается в камеру тушения.

     Сухой способ тушения позволяет утилизировать  более 80 % теплоты раскаленного кокса.

     После охлаждения в системе отбора теплоты  коксовый газ проходит сложную систему очистки от смол, аммиака и бензола. После этого его отправляют в газгольдер, а оттуда потребителю топлива - непосредственно или через газосмесительную станцию [4].

     Основной  потребитель коксового газа как  горючего ВЭР - металлургическое производство. В первую очередь он используется для нагревания мартеновских печей и агрегатов термообработки металла. При достаточном количестве его применяют также в нагревателях коксовых батарей. В этом случае продукты сгорания на выходе из генератора имеют температуру 260-350 °С, унося 15-20 % подведенной теплоты. На некоторых предприятиях она расходуется на получение горячего воздуха для подогрева затворов угольной башни в зимнее время.

     Структуру потребления коксового газа в  качестве горючего ВЭР иллюстрируют данные по Японии, добившейся существенных результатов в его утилизации. В этой стране из общего годового потребления коксового газа (~10 млрд м ) на обогрев коксовых печей расходуется около 22 %, в металлургическом производстве - 56, в городских отопительных системах - 10, на ТЭЦ – 8 % и т.д. [5] В ней же энергию коксового газа довольно широко используют в газовых турбинах, соединенных в одном цикле с генераторами электрического тока.

     Еще одним крупным источником горючих  ВЭР является газ закрытых ферросплавных печей. Его выход составляет 400-800 м /т сплава при концентрации СО в нем 70-90 %. После мокрого пылеулавливания на некоторых отечественных заводах он утилизируется как топливо, но в большинстве случаев сжигается на свечах.

     Помимо  рассмотренных выше наиболее крупных  горючих и тепловых ВЭР можно  отметить наличие ряда других источников, преимущественно тепловых. Это газы агломерации, обжига известняка и окатышей, мартеновских, электросталеплавильных, ваграночных, металлонагрева-тельных печей, колодцев прокатного производства и др. Их температура колеблется от 800-900 °С в печах с регенераторами до 900-1200 °С в термических, прокатных и кузнечных устройствах (без регенерации).

     Теплота уходящих высокотемпературных газов  таких мощных промышленных агрегатов может быть использована газотурбинными установками, встроенными в газовый тракт для выработки электроэнергии и подачи газа и воздуха в печь. Для более полной утилизации теплоты уходящих газов за теплообменниками газотурбинных установок обычно устанавливают котел-утилизатор, поскольку температура продуктов сгорания еще значительна (~450-500 °С). Он позволяет вырабатывать пар высоких параметров для технологических или энергетических нужд.

     Поскольку температура газов после котла-утилизатора  достаточна высока (порядка 200-250 °С), их теплоту целесообразно использовать для коммунально-бытовых нужд, включая отопление (нагрев воды).

     Резюмируя, отметим высокий уровень утилизации ВЭР черной металлургии, который  уже в 1975 г. составлял более 96 %, а на некоторых предприятиях приближался к 100 % [6]. 

     3 Характеристика ВЭР цветной металлургии 

     Эта отрасль, как никакая другая, отличается разнообразием технологических  процессов и оборудования: к ней  относится производство не менее 70 элементов, а также многих сплавов. Данное обстоятельство предопределяет в несколько раз большее количество основных технологий и типоразмеров оборудования.

     В связи с изложенным рассмотрение утилизации ВЭР цветной металлургии  ограничивается здесь технологиями производства тяжелых цветных металлов, прежде всего меди, где этой проблеме традиционно уделяется большое  внимание.

     Очевидно, что отходящие газы плавильных и  нагревательных печей, конвертеров, вельцпечей, шлаковозгоночных установок, агломерационных машин и других агрегатов металлургии тяжелых цветных металлов различны по составу, температуре, количеству уносимого тепла, доле потерь его в тепловом балансе агрегата, непрерывности поступления, присутствию в газах горючих веществ, запыленности, агрессивности, токсичности и др.

     Обычная температура уходящих газов наиболее крупных печей медеплавильных заводов составляет: шахтных 100-600 °С, в кипящем слое 800-900, отражательной и кислородно-взвешенной плавки 1200-1400 °С. Эти тепловые источники отличаются большим выходом и концентрацией энергии, часто стабильны в поступлении. Вместе с тем их характеризует большая запыленность и агрессивность, что создает трудности при утилизации.

     Большое распространение традиционно имеет  использование тепла отходящих газов плавки на штейн. Здесь наиболее эффективной является двухступенчатая утилизация: к/у и за ними воздухоподогреватели.

     Можно выделить две группы процессов плавки на штейн: неавтогенные и автогенные.

     К неавтогенным относятся традиционные способы плавки в отражательных, шахтных и электрических печах. В этой группе доминирует отражательная  плавка.

     Газы  отражательных печей медеплавильных заводов являются одним из основных вторичных энергоресурсов. Их физическое тепло составляет 60-65% от тепла топлива, расходуемого печью. Состав газов, %: 15-18 СО₂; 0-1 СО; 0,5-2,0 SO₂; 0,5-3,0 О₂ (остальное - азот). Их температура 1150-1250°С.

     Котлы-утилизаторы, стоящие за большинством отражательных  печей, повышают коэффициент полезного использования тепла с 15-25 до 50-60 %. Так, один из первых трубчатых вертикальных рекуператоров, установленный за отражательной печью Кировградского медеплавильного завода, позволил подогревать 85 % воздуха, поступающего на горение топлива, до 230-280 °С. Это предопределило увеличение на 15 % проплава и снижение на 7,5 % удельного расхода топлива печи.

     В группе автогенных наибольшее распространение  получил процесс взвешенной плавки, предусматривающей применение подогретого до 500-550 °С воздуха. Одна из современных конструкций котла-утилизатора для печи взвешенной плавки введена в эксплуатацию в 1999 г. на заводе г. Аделаиды (Австралия). В котле предусмотрена специальная система очистки от налипающих частиц пыли. Его основные технические данные: масса 450 т, масса арматуры 640 т, длина вместе с арматурой 56 м, высота 40, ширина 12 м, температура входящих газов 1450 °С, выходящих 380 °С, производительность по пересыщенному пару более 60 т/ч, его давление 60 бар [7].

     По  схеме печь - котел-утилизатор - воздухонагреватель используется также тепло отходящих  газов медерафинировочных печей.

     При обжиге медных концентратов, особенно в кипящем слое, выделяется большое  количество избыточного тепла, которое  поступает для выработки пара в котлах-утилизаторах. Наилучший  отъем тепла из КС достигается при применении высококипящих теплоносителей, однако на практике чаще всего теплоносителем служит вода.