Определение и сравнительная оценка энерго-парниковых характеристик коксовых и бескоксовых производств чугуна и стали Лаптева Анна Викторовна

Содержание к диссертации

Введение

1. Обзор работ в области сээа, оценка технологий и постановка задач исследований 10

1.1. Современные металлургические технологии 10

1.2. Методы сээа 13

1.3. Стратегия устойчивого развития. технологические парниковые газы 15

1.4. Задачи исследований 22

2. Развитие методики сквозного энергоэкологического и парникового анализа 24

2.1. Сквозная энергоемкость продукции и включение в её состав тач 24

2.2. Особенности энерго-парникового анализа 28

Выводы по главе 29

3. Эмиссии парниковых газов в процессах производства чугуна и стали

3.1. Типы эмиссий парниковых газов в процессах производства чугуна и стали 30

3.2. Классификация тп по характеру эмиссии диоксида углерода 38

вЫводы по главе 41

4. Совершенствование методики анализа эмиссии диоксида углерода в тп производства чугуна и стали 42

4.1. Методика определения эмиссии диксида углерода в процессе по количеству сгоревшего углерода в нем 42

4.2. Анализ взаимосвязи ТТЧ и ТПЧ топлив 49

выводы по главе 52

5. Сравнительный энергетический и парниковый анализ технологий производства чугуна и стали 53

5.1. Анализ аглодоменного передела и его основных процессов 53

5.1.1. Коксохимическое производство 53

5.1.2. Агломерационный процесс 56

5.1.3. Машины для обжига железорудных окатышей 57

5.1.4. Доменное производство 57

5.1.5. Эмиссия co2 при выплавке ванадиевого чугуна 58

5.1.6. Конвертерное производство 59

5.1.7. ЭДП переменного тока 59

5.1.8. Производство электроэнергии 60

5.1.9. Нагревательные печи 61

5.1.10. ТПЧ продуктов коксовых производств – сэ и сквозные ТПЧ 62

5.2. Анализ бескоксовых технологий 64

5.2.1. Процесс corex 64

5.2.2. Процесс ромелт 66

5.2.3. Процесс midrex 66

5.2.4. Процесс hyl-3 66

5.2.5. Процесс лп-в 67

5.2.6. ТПЧ продуктов бескоксовых процессов – сэ диоксида углерода и ТПЧ

5.3. Сравнительный энергетический анализ коксодоменных и альтернативных процессов производства стали 72

5.4. Энерго-парниковый анализ выплавки вч 77

5.5. Обобщение результатов

5.6. Анализ возможных сочетаний дп, кк и эдп с целью достижения

минимальных значений сэ co2 82

Выводы по главе 87

6. Индикаторы устойчивого развития металлургических процессов, используемых для получения стали, и принципы ранжирования технологий 89

6.1. Оценка индикаторов устойчивого развития по сэ диоксида углерода 89

6.2. Взаимосвязь сээа с экономическими проблемами 97

Выводы по главе 98

7. Разработка новых схем агрегатов процесса ЛП-в 99

7.1. Устройство для производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья и жидкого чугуна 99

7.2. Способ производства легированной ванадием стали с использованием металлизованного железорудного сырья 105

выводы по главе 110

8. Разработка алгоритмов вычисления интегральных эмиссий 111

8.1. Разработка алгоритмов вычисления интегральных эмиссий процессов 111

8.2. Разработка алгоритмов вычисления сквозных интегральных эмиссий 114

Заключение 118

Список сокращений и условных обозначений 120

Список литературы 122

• Стратегия устойчивого развития. технологические парниковые газы
• Особенности энерго-парникового анализа
• Классификация тп по характеру эмиссии диоксида углерода
• Анализ взаимосвязи ТТЧ и ТПЧ топлив

Введение к работе

Актуальность темы исследования

Металлургический комплекс играет значительную роль в экономическом развитии страны. В металлургии расходуется большинство из всех энергетических ресурсов, используемых в промышленности. Значительная доля этих ресурсов приходится на черную металлургию.

В черной металлургии функционирует наряду с традиционным аглодомен-ным процессом ряд развивающихся бескоксовых технологий. Важным аспектом их деятельности является экономия энергетических ресурсов, и в связи с этим большую актуальность приобретает сравнительный анализ технологий по такому важному показателю энергосбережения как энергоёмкость выпускаемой продукции. С расходованием энергоресурсов тесно связаны так называемые выбросы парниковых газов в атмосферу, влияющие на климатические условия на планете. Необходимость и конкретные цифры снижения выбросов парниковых газов в нашей стране обоснована в докладах Президента Российской Федерации В. В. Путина на VII сессии Генеральной Ассамблеи ООН и на XXI Конференции по климату (2015 год), что еще раз подчеркивает актуальность данного исследования.

Об актуальности работы также свидетельствует Федеральный закон от 21 июля 2014 года № 219-ФЗ «О внесении изменений в Федеральный закон «Об охране окружающей среды» и отдельные Законодательные акты Российской Федерации». В этом законе определена необходимость формирования банка наилучших доступных технологий, нацеливающих предприятия как на экономию энергоресурсов, так и на предотвращение негативного воздействия на окружающую среду.

Степень разработанности проблемы

Проблемы экономии энергоресурсов в промышленности, и, в частности, в черной металлургии рассматривались и развивались в ряде научных школ. Так, в представлении Уральской научной школы, важным инструментом решения данной проблемы является сквозной энергоэкологический анализ (СЭЭА) технологических процессов (ТП), органически сочетающий рассмотрение тесно связанных энергетических и экологических характеристик. В рамках данной научной школы проанализирован целый ряд ТП черной металлургии.

Тем не менее, развитие металлургических процессов, появление целого ряда альтернативных бескоксовых процессов требует активного продолжения использования методов СЭЭА для оценки их особенностей и преимуществ в этом важном аспекте.

С определением эмиссии парникового газа CO₂ (наиболее характерного для черной металлургии) связаны работы по инвентаризации этих газов.

Цели и задачи работы

На основании вышеизложенного были сформулированы цели настоящей работы:

1. Определение и сравнительная оценка энергетических характеристик и характеристик эмиссии парникового газа CO₂ (парниковых характеристик) традици-

онных (коксовых) и альтернативных (бескоксовых) процессов производства чугуна и стали. Выявление рангов процессов по этим характеристикам и наиболее экономичных и экологически совершенных альтернативных процессов. В рамках поставленных целей сформулированы следующие задачи:

1. Усовершенствовать методику СЭЭА с разработкой методики парникового анализа ТП производства чугуна и стали.

2. Уточнить модели эмиссий С0₂ в натуральном и энергетическом представлении для процессов производства чугуна и стали, пригодных для сравнения сочетаний различных процессов по значению эмиссии С0₂.

3. Разработать методики парникового анализа ТП и модели интегральных эмиссий С0₂ в натуральном и энергетическом представлении для процессов производства чугуна и стали с целью сравнения сочетаний различных процессов.

4. Провести ранжирование ТП по энергоёмкости и углеродному следу в натуральном и энергетическом представлении и их сумме, т. е. в рамках оценки наилучших доступных технологий. В частности провести оценку особенностей прямого легирования стали ванадием (ЛП-В) в ряду процессов производства чугуна и стали.

5. Разработать показатели степени воздействия на окружающую среду - индикаторы устойчивого развития - процессов производства чугуна и стали, связанных с эмиссией С0₂. С помощью этих индикаторов выявить наилучших доступных технологий.

6. Разработать новые процессы получения легированной ванадием стали с более полным использованием вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) - новых модификаций процесса ЛП-В и анализом энергоёмкости продукции.

7. Разработать и проанализировать с энерго-парниковой точки зрения новые устройства получения стали, характеризуемые более полным использованием ВЭР в самих процессах - новых модификаций процесса ЛП-В производства легированной ванадием стали с электродуговой плавкой и анализом энергоёмкости продукции.

Научная новизна

Научная новизна диссертационного исследования заключается в следующем:

усовершенствована методика СЭЭА (Лисиенко В. Г. и др.) с ведением новых структурных элементов: технологического амортизационного число (ТАЧ) и технологического парникового число (ТПЧ);

разработана методика определения интегральной эмиссии С0₂ в ТП, пригодная для сравнительного анализа различных вариантов технологий;

предложена новая методика определения сквозной эмиссии С0₂ или углеродного следа, основанная на использовании теории графов;

представлены результаты сравнительных энергетических и парниковых исследований процессов производства чугуна и стали;

предложены индикаторы устойчивого развития, основанные на относительных параметрах: сквозной эмиссии С0₂, себестоимости и энергоёмкости стали, получаемой в различных сочетаниях процессов производства чугуна, стали, губчатого железа, металлизованных окатышей (МО);

разработаны новые способы производства легированной ванадием стали. Теоретическая и практическая значимость

В работе усовершенствована методика энергетического анализа и разработана методика определения эмиссии парникового таза СОг в применении к традиционному аглодоменному и альтернативным бескоксовым процессам, в том числе предложены индикаторы устойчивого развития.

Практическая значимость определяется рекомендациями по оценке энергоэкологических характеристик процессов производства чугуна и стали, выявлением наиболее эффективных в этом плане процессов.

Предложенный методический подход к определению углеродного следа может быть использован для комплексной оценки экологической и технической эффективности вновь создаваемых и реконструируемых предприятий разработчиками и проектировщиками металлургических предприятий.

Анализ различных процессов производства чугуна, губчатого железа и стали позволяет выявить перспективные направления модернизации с целью снижения эмиссии СОг.

Разработаны новые процессы производства стали - процесс ЛП-В.

Результаты работы использованы при анализе ТП, а также в учебном процессе, в частности, при чтении учебных курсов «Управление и информатика в энергосбережении и экологии», «Математическое моделирование объектов и систем управления».

Методология и методы исследования

Методологической основой являлся метод СЭЭА, дополненный и усовершенствованный в части сквозного энергетического анализа (СЭА) и развитый в части парникового анализа - определение эмиссий СОг в процессах выплавки чугуна и стали.

Для анализа процессов применена теория графов. Использованы методики сравнительного анализа рассматриваемых процессов с применением специально усовершенствованного программного обеспечения (ПО).

Объектами исследования явились как традиционный аглодоменный процесс, так и альтернативные бескоксовые (в том числе и разработанные при участии автора) металлургические процессы.

Положения, выносимые на защиту

На защиту автором выносятся:

^Усовершенствованная методика энергетического анализа при введении в его структуру ТАЧ и ТПЧ, позволяющие перевести амортизационные отчисления (АО) и ущерб от эмиссии парниковых газов в энергетические параметры.

2. Методика определения интегральной эмиссии С0₂ в ТП, предназначенная для сравнительного анализа различных видов технологий производства чугуна и стали.

3. Методика вычисления сквозной эмиссии СОг углеродного следа, основанная на использовании теории графов.

4. Результаты энергетического и парникового (эмиссий СОг) анализов различных сочетаний коксовых и бескоксовых процессов в металлургии с использованием разработанных математических моделей (ММ) и алгоритмов и ранжированием этих процессов. При этом выделено шесть типов (цепочек) металлургиче-

ских процессов в соответствии с механизмом образования CO₂. Для этих типов разработаны ММ, позволяющие оценить эмиссию CO₂ соответствующего процесса. С использованием этих ММ проведены исследования различных металлургических процессов.

5) Новые модификации процесса ЛП-В.

Степень достоверности полученных результатов

Достоверность полученных результатов определяется применением современных методов СЭЭА.

При проведении расчетов использовались известные показатели ТП (аглодо-менное производство, процесс Ромелт, Midrex, HyL-3). В ряде случаев проведен сравнительный анализ с известными энергетическими показателями (аглодомен-ный процесс, процесс Ромелт).

Апробация результатов работы

Результаты работы представлялись на региональных, всероссийских и международных конференциях, в том числе: V Международная научно-практическая конференция «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (Москва, 2010); IX Международный симпозиум «Проблемы экоинформатики» (Москва, 2010); XVI Международная конференция «Теплотехника и энергетика в метал-лургии» (Днепропетровск, 2011); VIII Всероссийская научно-практическая конференция «AS’2011. Системы автоматизации в образовании, науке и производстве» (Новокузнецк, 2011); Международная научная конференция «Автоматизация технологических и производственных процессов в металлургии» (Магнитогорск, 2012); Международная научно-практическая конференция «Металлургия: технологии, инновации, качество» (Новокузнецк, 2015).

Публикации

По результатам диссертационного исследования опубликованы 24 научные работы, в том числе 12 статей в рецензируемых научных журналах, рекомендуемых ВАК России; 2 патента на полезные модели; 10 статей в научных журналах и сборниках материалов всероссийских и международных конференций.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, 8-ми глав, заключения, списка использованных источников и 4-х приложений. Содержит 186 страниц основного текста, 52 рисунка, 72 таблицы. Список использованных отечественных и зарубежных источников включает 136 наименований. Приведены результаты расчетов: в приложении А – эмиссии CO₂ при легировании стали феррованадием, в приложении Б – материальные и энергетические балансы запатентованного нового устройства производства стали, в приложение В – расходы в процессе прямого легирования стали (ЛП) при производстве 1 т стали, в приложении Г помещены копии актов об использовании результатов исследования.

Стратегия устойчивого развития. технологические парниковые газы

В конце ХХ века возникло противоречие между производством общества потребления и возможностями природы к самовосстановлению. Под угрозу поставлено будущее человечества. Возникла необходимость формирования новой модели развития цивилизации, способной противостоять социально-политическому, экономическому и экологическому кризису. В 1992 году Россия на Саммите глав государств и Конференции ООН по окружающей среде и развитию (Рио-де-Жанейро) подписала ряд документов, определяющих политику стран мира по обеспечению устойчивого развития, то есть такого развития человечества и его деятельности, при котором для будущих поколений останется возможность пользоваться природными ресурсами. Устойчивое развитие Российской Федерации ориентировано на решение задач сохранения окружающей среды и природно-ресурсного потенциала для удовлетворения потребностей ныне живущих и будущих поколений россиян. Укрепление экономики, осуществление структурных преобразований, повышение ее эффективности необходимо производить на базе современных экологически безопасных технологий с использованием современного мирового опыта. Следует оказывать государственную поддержку развитию высокоэффективных производств.

Защита окружающей среды - основа стратегии устойчивого развития. Опережающее принятие эффективных мер по недопущению ухудшения состояния окружающей природной среды - суть устойчивого развития.

Помимо загрязняющих веществ, промышленность выбрасывает в атмосферу огромное ко личество парниковых газов, что, по мнению ряда ученых, ведет к изменению климата [56–59]. В 1992 году под эгидой ООН была создана Рамочная конвенция ООН об изменении климата (РКИК). Россия ратифицировала РКИК в 1994 году. В 1997 году в Киото на Третьей Конференции Сторон РКИК было подписано международное соглашение о сокращении выброса парниковых газов в атмосферу, которое получило известность как Киотский протокол [59]. Киотский протокол вступил в силу 16 февраля 2005 года, а 31 декабря 2012 года его действие закончилось, но было продлено по итогам переговоров, завершившихся 8 декабря в столице Катара Дохе, до 2020 года. В соответствии с вновь принятыми соглашениями, каждая страна, ратифицировавшая протокол, до 2014 года должна оценить уровень своих обязательств по нему и представить в ООН информацию о возможности его повышения. Россия не взяла на себя никаких обязательств в рамках продленного Киотского протокола.

Для оценки уровня развития, жизнеспособности, устойчивости континента, страны, региона, города, отрасли с целью прогнозирования их будущего состояния используются специальные критерии и показатели – индикаторы устойчивого развития. Экологические индикаторы характеризуют состояние атмосферы, воды, земли, природных ресурсов и отходов. Например, США используют 56 индикаторов в своей стратегии устойчивого развития. Многие из них относятся к качественным индикаторам.

Парниковые газы – газы природного или антропогенного происхождения с хорошей прозрачностью в видимом диапазоне и высоким поглощением в инфракрасном диапазоне. Присутствие таких газов в атмосферах планеты приводит к появлению парникового эффекта и к повышению приземной температуры и изменению климата [57–63].

В Киотском протоколе парниковыми газами с прямым парниковым эффектом названы следующие: диоксид углерода (CO2), метан (CH4), оксид диазота – закись азота (N2O), гид-рофторуглероды, перфторуглероды и гексафторид серы (SF6). Не включен в Киотский протокол водяной пар (H2O), который также является парниковым газом.

Кроме того, имеются газы с косвенным парниковым эффектом: озон (O3), оксид углерода (CO), оксиды азота (NOx), диоксид серы (SO2), сульфурилфторид, галогеноуглероды, фторсо-держащие газы (трифторид азота, фреон).

Характеристика парниковых газов – потенциал глобального потепления (ПГП): 1 т CH4 оказывает парниковый эффект в 21 раз больший, чем 1 т CO2, а 1 т N2O – в 310 раз. ПГП разных газов приводят к 1 т CO2 – насколько 1 т того или иного газа дает больший эффект по сравнению с 1 т CO2. Для метана переводной коэффициент равен 21, для закиси азота – 310, а для некоторых фторсодержащих газов – несколько тысяч.

На долю CO2 приходится, по оценкам, около 64 % глобального потепления. Источниками эмиссии CO2 в атмосфере Земли являются вулканические выбросы, жизнедеятельность орга 17 низмов и деятельность человека при производстве, транспортировке, переработке и потреблении ископаемого топлива (86 %), сведении лесов, сжигании биомассы (12 %), и остальные источники (2 %).

Выделенная молекула CO2 совершает цикл через атмосферу и биоту и окончательно поглощается океаническими процессами или путем длительного накопления в растениях. Эффективный период пребывания – это количество времени, при котором примерно 63 % газа выводится из атмосферы. Эффективный период пребывания для CO2 оценивается в пределах от 50 до 200 лет.

Метан – второй по значимости парниковый газ Киотского протокола. Время жизни метана в атмосфере составляет около 12 лет. Основными антропогенными источниками метана являются пищеварительная ферментация у скота, рисоводство, процессы горения биомассы (в т. ч. сведение лесов) и неполное горение углеводородных топлив, угольные шахты и рудники. В данной работе принято считать, что весь метан, который образуется в металлургических процессах как ВЭР, сгорает в коксовых батареях, нагревательных печах, котлах электростанций (ЭС), в худшем случае – в факелах.

Оксид диазота (закись азота или веселящий газ) – третий по значимости ПГ Киотского протокола. ПГП N2O равно 310. При производстве и применении минеральных удобрений, в химической промышленности, в сельском хозяйстве образуется оксид диазота. В черной металлургии этот газ не образуется, но другие оксиды азота могут возникать в процессах сжигания топлива при высоких температурах в больших количествах.

Особенности энерго-парникового анализа

Интегральную эмиссию CO2 металлургическим комбинатом за определенный промежуток времени можно определить по суммарной массе сгоревшего углерода, поступившим с топливом, и массе разложившегося известняка за этот промежуток времени (Рисунок 3.1), при условии, что топливные ВЭР, образующиеся на комбинате, реализуются на нем же. Очевидно, что такие расчеты имеют погрешность, так как часть топлива, поступившего на комбинат, теряется в виде пыли или других видов потерь. Если учесть эмиссии CO2 при добыче, подготовке и транспортировке того или иного топлива, то эмиссия CO2 комбината будет эквивалентна понятию УС.

Эмиссию CO2 комбината можно рассчитать, просуммировав эмиссии CO2 всех агрегатов предприятия (Рисунок 3.2). Для этого надо знать режимы работы всех агрегатов комбината. Расчеты будут объемными и неточными, так как в реальных процессах CO2 в продуктах сгорания присутствует вместе с оксидом углерода. Например, доменный газ состоит из, % об. CO 23– 27, CO2 16–23 в зависимости от содержания кислорода в дутье [4]. Налицо существенная неопределенность. В данной работе поставлена задача сравнить эмиссии CO2 различных агрегатов и процессов. Приведенные 16–23 % CO2 не являются исчерпывающей характеристикой доменной печи (назовем этот газ CO2 прямым или прямой эмиссией MПР), так как 25–27 % CO сгорят на этом же комбинате или на другом объекте, образуя дополнительный объем CO2. Т. е. работа ДП порождает больше CO2, чем его содержится в доменном газе. Часть CO используется непосредственно в доменном процессе – окисляется в воздухонагревателях до CO2. Но большая часть сгорает в котлах заводских ЭС, обеспечивая до 90 % электроэнергии, потребляемой металлургическими предприятиями [73], а в простейшем случае CO сжигается в факелах или дожигается в специальных устройствах. Образующийся газ CO2 назовем косвенным или косвенной эмиссией MК.

Образование интегральной эмиссии диоксида углерода металлургического комбината: 1 – доменный газ (стрелка, отходящая от круга вверх, символически означает долю CO2 образующуюся в самой ДП); 2 – коксовый газ; Проиллюстрируем это ориентировочными расчетами. Считаем, что в ДП загружается 389,7 кг кокса на т чугуна, содержащего 89 % углерода, в фурмы подается 131 м3 ПГ на т чугуна с плотностью 0,729 кг/м3, содержащего 73,4 % углерода. На выходе ДП образуется на т чугуна 1 654 м3 колошникового газа, состоящего из, % об. CO – 24,7, CO2 – 23, N2 – 41,5, H2 – 10,8. Другими компонентами пренебрегаем. Распределение этого газа по агрегатам приведено в таблице 3.1. При полном сгорании кокса образуется CO2 CO2 = 389,70,8944/12 = 1 271,72 кг. При полном сгорании ПГ образуется CO2 CO2 = 1310,7290,73444/12 = 257,02 кг. Всего образуется CO2 = 1 271,72 + 257,02 = 1 528,74 кг/т чугуна. Таблица 3.1 – К вопросу формирования прямой и косвенных эмиссий Агрегат РасходДГ, м3/тчугуна Содержание на проход CO2 Содержание на входе CO Образуется CO2 м3/т чугуна кг/т чугуна м3/т чугуна кг/т чугуна кг/т чугуна Воздухонагреватели 454 104,42 206,44 112,14 140,17 220,21 Коксовая батарея 500 115,00 227,36 123,50 154,38 242,52 Нагревательная печь 300 69,00 136,41 74,10 92,63 145,51 Заводская ЭС 400 92,00 181,88 98,80 123,50 194,02 Итого 1 654 380,42 752,09 408,54 510,67 802,27 Из таблицы 3.1 найдем общую массу CO2, полученную при работе перечисленных в ней агрегатах от сгорания доменного газа, CO2 = 752,09 + 802,27 = 1 554,36 1 528,74 кг CO2/т чугуна. Здесь 752,09 кг CO2 назовем MПР, так как эта масса CO2 содержится в доменном газе на выходе ДП и проходит насквозь через все агрегаты в атмосферу. Масса 802,27 кг CO2 образуется как сумма эмиссий CO2 агрегатов, полученных от дожигания CO до CO2. Эту массу CO2 назовем MК. Понятия прямой и косвенной эмиссий образуют математическую модель образования эмиссий CO2 агрегатами, генерирующими топливные ВЭР. В общем случае эмиссия агрегата (процесса) определяется суммой прямой и косвенных эмиссий этого агрегата (процесса), что следует из чисел 1 528,74 и 1 554,36: MП = MПР + MК. (3.1)

Изменим схему потоков топливных ВЭР, предполагая, что все они используются в самом процессе, например, через заводскую ЭС (Рисунок 3.3). Для исключения двойного счета потоки ВЭР, например, на нагревательные печи, коксовые батареи, доменные воздухонагревателях и другие агрегаты, из схемы удалены. Также недопустимо оценивать эмиссии от коксового и доменного газов, которые сгорают в нагревательных печах, в котлах ЭС, так как они учтены в коксовом или доменном переделах.

На схеме итоговые или интегральные эмиссии диоксида углерода тем или иным агрегатом обозначены COi2, которые вычислены с учетом предположения о сгорании всех ВЭР на нужды этого агрегата, т. е. в виде сумм прямых и косвенных эмиссий. Сумма COi2 при i от 1 до 6 равна итоговой эмиссии комбината, т. е. сумме эмиссий агрегатов, показанных на рисунке 3.1. Следовательно, интегральную эмиссию процесса MП можно определить по количеству полностью сгоревшего углерода в процессе в допущении того, что все топливные ВЭР сгорают прямо или косвенно в том процессе, для которого определяется MП.

Такой подход повышает точность оценки эмиссии диоксида углерода процесса и упрощает методику сравнения различных процессов по эмиссии диоксида углерода, в том числе тех, для которых нет данных по объемам и составу углесодержащих выбросов, но есть данные по расходам топлива.

Таким образом, массу CO2, образующегося в доменном, коксохимическом, электродуговом, мартеновском процессах будем определять с учетом дожигания CO по суммарной массе углерода, содержащегося в исходных топливах. В кислородно-конвертерном процессе с дожиганием масса [4] CO2 будет пропорциональна массе выгоревшего из шихты углерода.

Широко распространенное за рубежом понятие УС в черной металлургии сведем к понятию интегральной СЭ CO2 MС, которая является суммой эмиссий CO2, последовательно возникающих во всех процессах технологической цепи, начиная с добычи сырья и кончая тем продуктом, для которого эта эмиссия определяется. Кроме того, будем различать интегральные эмиссии процесса MП и транзитную MТ, обусловленную долей от суммарной массы эмиссии CO2, образованного в предыдущих процессах, которая перешла на анализируемый процесс. Сквозная интегральная эмиссия CO2 MС удовлетворяет соотношению:

Классификация тп по характеру эмиссии диоксида углерода

Объем образованного С02 при сжигании топлива определяется по массе окисленного горючего вещества KG1 =1855-(СР.МД (4.7) где VG\ - объем образованного С02 при сгорании топлива, м3; 1 855 - коэффициент объема газа, который задает объем образующегося газа (С02) на 1 т массы сгораемого топлива (Таблица 4.2): 1 855 = 3,6671 000/1,977. Объем образованного С02 на 1 т продукции при сжигании горючего моногаза определяется по объему окисленного газообразного топлива: VG = VGVF, (4.8) где VG – объем образованного газа при сгорании топлива, м3/т прод.; VG – коэффициент объема газа, который задает объем образующегося газа на единицу объема горючего моногаза (Таблица 4.3); VF – объем сгоревшего моногаза, м3/т прод.

Получаемый объем в м3 оксидов на 1 кг окисляемого вещества VG Вещество Объем 1 кг вещества, м3 Получаемые оксиды (газы и пары воды) CO С02 н2о so2 NO N02 с - 1,866 1,855 - - - CO 0,800 - 0,795 - - - н2 11,236 - - 15,520 - - сн4 1,395 - 1,391 3,879 - - S - - - - 0,685 - Таблица 4.3 – Получаемый объем м3 оксидов на 1 м3 газообразного топлива VG Исходное вещество Получаемые оксиды (газы и пары воды) CO со2 Н20 so2 NO N02 CO - 0,994 - - - н2 - - 1,380 - - сн4 - 0,997 2,781 - - Для газового топлива, состоящего из смеси газов, необходимо определять суммарную массу углерода MFC, содержащегося в топливе, после чего можно воспользоваться формулой MG = 3,667MFC. (4.9) Образование водяных паров можно рассчитать по аналогичным формулам, но так как водяные пары Киотским протоколом не учитываются, то такие расчеты опускаются. Помимо газов, образующихся при сгорании углерода, ряд топлив содержат С02 в небольших количествах. В таких случаях масса образовавшегося С02 определяется суммой MGS = 3,667C p бMF + мMF = MG+ мMF, (4.10) где СРб - массовая доля содержания углерода в топливе за исключением углерода, входящего в состав С02, который содержится в топливе; м - массовая доля газа С02 в составе топлива. Если вести расчеты по всей массовой доле углерода С = срб + сду (с учетом углерода Сду в С02), то учитывать слагаемое мМр нет необходимости, так как MGS = 3,667(СрбМР+СдуМР) = MG+ мMF . (4.11) Рассмотрим влияние известняка на эмиссию CO2. Известняк разлагается на оксид кальция и CO2 по следующей формуле CaCO3 = CaO + CO2, из которой следует, что из 1 кг известняка образуется 0,56 кг оксида кальция и 0,44 кг CO2. Масса CO2 mCO2, выделяемая при обжиге массы известняка mи, определяется по формуле mCO2 = 0,44mи. Для получения 1 кг извести требуется 1,786 кг известняка. При этом образуется 0,786 кг CO2. Доломит содержит 60 % CaCO3 и 40 % MgCO3. Из формулы MgCO3 = MgO + CO2 следует, что из 1 кг карбоната Mg образуется 0,52 кг CO2. Из 1 кг доломита образуется CO2 = 0,60,44 + 0,40,52 = 0,472 кг, или в общем виде mCO2 = 0,47mд, где mд – масса доломита, т. Следовательно, с учетом разложения флюса эмиссия CO2 в процессе типа 2 определяется формулой N Мсл = 3,667- ]Г (cР -MPI)+ 0,44 тИ + 0,47 mД . (4.12) На рисунке 4.1 представлен граф эмиссий СОг в процессе производства извести, в котором учтены только эмиссии СОг процессов получения известняка и добычи ПГ. СЭ СОг при производстве 1 т извести равна 941 кг. Это значение будет использовано в других графах эмиссий С02. Добыча, транспортировка и подготовка известняка (55) ІИзвесть Рисунок 4.1 - Граф эмиссий С02 при производстве извести ММ ТП типа 3

Доменный процесс - типичный представитель процессов этого типа. Бескоксовые способы получения чугуна Ромелт и Согех также относится к процессу типа 3. В ДП основным топливом является кокс. Углерод кокса и дополнительного топлива в ДП почти весь окисляется до СОг или оксида углерода СО, причем последний газ догорает до СОг при его дальнейшем использовании в воздухонагревателях или других внутренних потребителях ВЭР. Часть углерода переходит в чугун. Формула для вычисления массы образовавшегося СОг имеет член Счтч - произведение массовой доли углерода на массу продукции (стали, ГЖ, чугуна в процессах ПЖВ), определяющий массу углерода, перешедшего в продукцию Мел = 3,667(C/MF - Счтч), (4.13) где CF - массовая доля углерода в коксе; Мр - масса сгоревшего кокса, т; Сч - массовая доля углерода в чугуне; тч - масса произведенного чугуна в металлической шихте, т.

В современных ДП используются офлюсованные агломерат и окатыши для экономии кокса, так что выделение СОг от разложения карбонатов Са и Mg в доменном процессе не учитывается. Однако, загрузка в ДП известняка или доломита не исключена, поэтому представим формулу в общем виде с учетом разложения карбонатов Са и Mg. N MG1 = 3,667 VCР -МРІ -СЧ-тЧ \ + 0,44 тИ + 0,47 тД , (4.14) где CFI – массовая доля углерода в I-ом топливе. Для процесса Corex, для которого в шихте присутствует известняк, эмиссию CO2 следует вычислять только по этой формуле. ММ ТП типа 4 Массовое количество образованного CO2 при полном окислении углерода можно найти по уравнению C + O2 = CO2 с учетом атомных и молекулярных весов компонентов. Помимо CO2 в КК при продувке кислородом образуется оксид углерода, или угарный газ – горючий газ – по формуле 2C + O2 = 2CO. Оксид углерода дожигается возле горловины КК с выделением дополнительного тепла [4] или уходит с дымовыми газами в систему очистки и дожигания. Дожигание оксида углерода описывается формулой 2CO + O2 = 2CO2 – на 1 кг оксида углерода образуется 1,571 кг CO2. В этой связи можно допустить, что весь выгоревший углерод исходной шихты образует CO2. Из химических уравнений полного окисления углерода известно, что масса образованного в ТП типа 4 CO2 определяется массой окисленного углерода MG2 = 3,667mc, (4.15) где Мої - масса образованного СОг при выгорании углерода из полупродукта, т; дас - количество выгоревшего углерода

Анализ взаимосвязи ТТЧ и ТПЧ топлив

Известно устройство производства стали с использованием железорудного сырья и жидкого чугуна, принятое за прототип [89–90]. Оно включает ПЖВ, работающую в режиме газификации и обеспечивающую получение одновременно жидкого чугуна и ГВГ, ШП металлизации, обеспечивающую металлизацию железорудных окатышей, и ЭДП, обеспечивающую получение электростали с использованием жидкого чугуна, МО и лома. Преимуществом этих устройств является использование сравнительно дешёвых угля или углеродсодержащих отходов вместо дорогостоящего ПГ, снижение энергозатрат при выплавке стали и возможность снижения потерь ванадия при выплавке легированной ванадием стали. Однако, как показал анализ материального баланса [6], недостатком этих устройств является получение значительного количества избыточных МО и отходящего газа ШП, которые непосредственно не используются в данных устройствах, что приводит к увеличению энергоёмкости процессов, реализуемых в данных устройствах, и дополнительным потерям материальных и энергетических ресурсов.

Задачей разработанного устройства является снижение энергетических и материальных затрат в процессе получения электростали за счет использования вторичных энергетических и материальных ресурсов и как следствие снижения вредных выбросов.

Эта задача решается таким образом [96], что устройство для производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья и жидкого чугуна, содержащее ПЖВ, работающую в режиме газификации, ШП для металлизации окатышей, получаемых с избытком, имеющую выход для выгрузки МО и выход для отвода отходящего газа, ЭДП и кислородную станцию (КС), при этом выход КС соединен со входами ПЖВ для подачи кислорода и кислородно-воздушной смеси, выход ПЖВ для слива жидкого чугуна печи соединен со входом ЭДП для заливки чугуна, выход ПЖВ для отвода ВГ соединен со входом ШП для подачи ВГ, выход ШП для выгрузки МО соединен со входом ЭДП для загрузки МО, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено второй ЭДП и ЭС, при этом ШП снабжена выходом выгрузки избыточных МО, который соединен со входом второй ЭДП для загрузки МО, при этом ЭС соединена с выходом ШП для отвода отходящего газа с возможностью выработки электроэнергии и соединена с обеими ЭДП и с КС для подачи в них выработанной электроэнергии (Рисунок 7.1). ЭДП-1 ССталь ЭДП-2 I Сталь Рисунок 7.1 – Схема устройства для производства стали с использованием металлизованного железорудного сырья и жидкого чугуна

Таким образом, в отличие от прототипа [89] в данном устройстве применена дополнительно вторая ЭДП (ЭДП-2). Это объясняется тем, что при синхронизации работы и технологий трёх основных агрегатов, обеспечивающих получение стальной продукции: ПЖВ, работающей в режиме газификации, ШП металлизации и первой ЭДП (ЭДП-1), в ПЖВ вырабатывалось такое количество ВГ, что это обеспечивало производство МО в ШП в избыточных количествах [6], [35]. Это избыточное количество МО предложено использовать в устанавливаемой дополнительно ЭДП-2. Отходящий газ ШП металлизации, содержащей CO и H2, предложено использовать для выработки электроэнергии на устанавливаемой ЭС. Это может быть обычная ЭС с парогенераторами и топочной камерой или газотурбинная установка. Полученная электроэнергия используется для подачи в ЭДП и для работы КС. Кислород КС используется для подачи в ПЖВ, работающей в режиме газификации, как в чистом виде, так и для получения кислородно-воздушной смеси.

Функционирование данной установки поясняется на примере материального баланса данного комплекса агрегатов. Для примера приведем расчёты на 1 т электростали ЭДП-1. Исходные данные по работе ПЖВ и ШП взяты из работы [6].

В ПЖВ, работающей в режиме газификации, загружается 726,3 кг рудных материалов и 975,6 кг угля. Получается 431,8 кг чугуна и 1 942 м3 ГВГ, требуется 243,3 кг кислорода для верхних фурм ПЖВ, работающей в режиме газификации, и 937,5 кг для дутья нижних фурм, всего 1 180,8 кг. При использовании данного ВГ получено 1 137,9 кг МО.

В работе [4] утверждается, что при содержании МО в шихте не более 25–30 % от ее массы технология электроплавки существенно не отличается от обычной. При большем содержании МО в шихте применяется непрерывная загрузка МО после образования в ЭДП жидкого металла. Оптимальное содержание МО в шихте в этом случае составляет 60–70 % от ее массы. На выходе ШП образуется 1 138 кг МО [6]. В состав шихты каждой ЭДП войдет по 569 кг МО. Равное количество МО в составе шихты обеспечит равное содержание ванадия в стали на выходе обеих ЭДП. С учетом угара и пылевыноса примем содержание железа в шихте равное 1 050 кг. Общее содержание железа в МО равно 75,96 % [6]. С МО в шихту войдет Fe= 5960,7596 = 452,7 кг. В ЭДП-2 необходимо добавить 1 050 – 452,7 = 597,3 кг металлического лома, при допущении, что железный лом содержит 100 % железа. В ЭДП-1 загружается 410 кг чугуна-полупродукта, содержащего Fe = 410,20,974 = 399,53 кг. В шихту ЭДП-1 следует добавить 1 050 – 452,7 – 399,53 = 197,77 кг металлического лома. Шихта ЭДП-2 имеет массу 569 + 597,3 = 1 166,3 кг. Следовательно, в ней содержится 48,8 % МО и 51,2 % металлического лома.

Отходящий газ ШП в количестве 1 942 м3, содержащий 34 % CO и 12 % H2, теплосодержанием 12 234,6 МДж, направляется на ЭС для получения электроэнергии. Если принять, что на 1 кВтч расходуется 0,388 кг у. т. или 0,38829,3 = 11,37 МДж [35], то на ЭС вырабатывается 1 076 кВтч электроэнергии. Из них 270 кВтч, 500 кВтч и 306 кВтч используется для ЭДП-1, ЭДП-2 и КС, соответственно. При выходе кислорода 3,6 м3/кВтч [114] в КС получено 1 101,6 м3 кислорода, который используется в ПЖВ. Это количество выработанного кислорода соответствует потребному его количеству для ПЖВ, работающей в режиме газификации (1 180,8 кг). Таким образом, применение данного устройства обеспечивает автономную работу комплекса двух ЭДП для выплавки электростали.

Предлагаемое устройство представлено на рисунке 7.1 и 7.2. Оно включает: ПЖВ, работающую в режиме газификации, – 1, ШП металлизации – 2, ЭДП-1 – 3 и ЭДП-2 – 4, ЭС – 5, КС – 6. В ПЖВ подаются уголь и железорудное сырье. ПЖВ имеет вход 5 – подачи кислорода в верхние фурмы, вход 6 – подачи кислородно-воздушной смеси в фурмы, выход 7 – слив чугуна, выход 8 – расход ГВГ. В ШП металлизации поступают железорудные ОО. ШП имеет вход 9 – подачу ГВГ из ПЖВ, работающую в режиме газификации, выход 10 – выгрузку МО, выход 11 – выход отработанного газа. ЭС имеет вход 12 для ввода отработанного газа, выход 13 – выход выработанной электрической энергии. На выходе 14 КС подается выработанный кислород. Вход 15 КС служит для ввода электроэнергии. ЭДП имеют входы 16 для загрузки МО, вход 17 для заливки жидкого чугуна, вход 18 для ввода электроэнергии. На выходе ЭДП образуется сталь.