Содержание к диссертации
Введение
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 энерготехнологической 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 исследований 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 охлаждения 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 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 экономической целесообразности применения нового способа сухого тушения кокса 94
Выводы по главе 4 103
Основные результаты и выводы по работе 104
Библиографический список
- Оценка потенциала энергосбережения в энерготехнологической системе сухого тушения кокса
- Описание процесса и результатов экспериментальных исследований по возможности повышения качества кокса на стадии сухого тушения
- Расчет расхода природного газа для повышения прочности кокса с использованием теории пористости кокса
- Тепловой и материальный баланс энерготехнологической системы сухого тушения кокса до и после модернизации
Введение к работе
Актуальность работы. Задачи рационального использования энергетических и сырьевых ресурсов, а также снижения вредных выбросов приобретают все большее значение из-за прогрессирующего сокращения сырьевых и топливно-энергетических запасов планеты. Эти проблемы особенно остро стоят перед предприятиями черной металлургии, которые потребляют более 10% топлива, добываемого в стране, и являются крупными источниками вредных выбросов. Наиболее крупным потребителем тепловой энергии в отрасли является коксохимическое производство (КХП).
В настоящее время в РФ производится 30 млн т кокса в год, при этом затраты топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) составляют 3,5 млн т у.т. В то же время коксовые батареи - основной источник вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Выход ВЭР составляет около 60% от первичного энергопотребления. Наибольшие потери ВЭР происходят при тушении кокса. Применение способа мокрого тушения кокса приводит к значительным потерям тепловой энергии, загрязнению воздушного и водного бассейнов. При сухом тушении кокса (СТК) тепловая энергия, полученная циркулирующими газами, используется для выработки пара в котлах-утилизаторах (КУ). Однако, в связи с низкими параметрами пара (4МПа, 4400С) на российских металлургических комбинатах (МК) он почти не используется для выработки электроэнергии на теплоутилизационных генерирующих установках. Кроме этого, в существующих установках СТК осуществляется только охлаждение кокса без значительного изменения его прочностных параметров. Однако повышение горячей прочности кокса существенно влияет на расход кокса в доменных печах. А поскольку доменное производство является одним из наиболее крупных потребителей топлива в отрасли, то расход кокса в доменных печах во многом определяет структуру топливно-энергетического баланса всего МК.
Значимость решения проблем повышения прочности кокса при его сухом тушении и повышения параметров вырабатываемого в КУ КХП пара определили актуальность темы диссертационного исследования.
Целью настоящей работы является повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства за счет комплексного решения проблемы упрочнения кокса и максимально возможного использования тепловых вторичных энергетических ресурсов горячего кокса при его сухом тушении. Для достижения цели в работе решены следующие задачи:
определение потенциала энергосбережения и направлений повышения энерготехнологической эффективности коксохимического производства;
расчет экономии топливно-энергетических ресурсов в доменном производстве в результате повышения прочности кокса;
разработка и обоснование нового способа сухого тушения кокса с использованием природного газа;
определение расхода природного газа, подаваемого в форкамеру установки сухого тушения кокса с целью упрочнения кокса;
разработка технологической схемы установки сухого тушения кокса, позволяющей снизить потери тепловой энергии горячего кокса и повысить
прочность кокса;
моделирование работы теплоутилизационного оборудования на коксохимическом производстве, выбор паровых турбин и определение режимов их работы;
оценка энерготехнологической эффективности и экономической целесообразности применения нового способа сухого тушения кокса в теплотехнологическом комплексе черной металлургии.
Объектом исследования является энерготехнологическая система СТК, которая включает в себя установку сухого тушения кокса (УСТК), КУ и систему использования пара, вырабатываемого в КУ. Предметом исследования являются физико-химические процессы, происходящие в УСТК. Теоретической и методологической базой исследования являются: зависимость прочностных характеристик кокса от способа его охлаждения; результаты исследований процесса разложения природного газа и взаимодействия продуктов его разложения с углеродом кокса; методика расчета теплового баланса УСТК.
Научная новизна работы:
Впервые экспериментально доказана возможность упрочнения кокса в области высоких температур при продувке его природным газом, позволяющая снизить расход кокса в доменной печи.
Разработан новый способ сухого тушения и упрочнения кокса с использованием 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 водорода.
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 энерготехнологической эффективности системы сухого тушения кокса позволит:
увеличить показатель горячей прочности кокса (CSR) на 6,1%, что приведет к снижению расхода кокса в доменной печи на 12,2 кг кокса на 1 т чугуна;
увеличить выход кокса из УСТК на 1,04%;
повысить на 24,6% выработку тепла в КУ, что позволит увеличить выработку электроэнергии на теплоутилизационной электростанции (ТУЭС) и, вследствие этого, сократить объем покупаемой электрической энергии.
В результате расход топливно-энергетических ресурсов на металлургическом комбинате сократится на 3,4%.
Положения, выносимые на защиту.
-
Результаты натурного эксперимента по повышению прочности кокса.
-
Новый способ сухого тушения и упрочнения кокса.
-
Методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса с определением возросшего выхода кокса и водорода и результаты численных расчетов по этой методике.
4. Рекомендации по повышению энерготехнологической эффективности коксохимического производства.
Достоверность. Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных энерготехнологических обследованиях МК полного цикла ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» и ПАО «Северсталь», экспериментальных и численных исследованиях
Личный вклад автора. Основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н., проф. Султангузина И.А.
Апробация работы. Основные положения работы, результаты 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 конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущему России» (Магнитогорск, 2011 г.).
Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения результаты, представлены в 11 публикациях, 2 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ, 3 - в журналах по перечню рецензируемых изданий SCOPUS и Web of Science,
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 3 приложений. Общий объем работы составляет 126 страниц.
Оценка потенциала энергосбережения в энерготехнологической системе сухого тушения кокса
Одним из самых энергозатратных переделов на металлургическом комбинате (МК) является коксохимическое производство.
КХП представляет собой энерготехнологическую систему по переработке угольной шихты в металлургический кокс, используемый в дальнейшем для получения чугуна в доменном процессе. Его нельзя рассматривать изолированно от других производств, т.к. в современных условиях, с одной стороны, постоянно растут требования к доменному производству, а с другой стороны, ухудшается сырьевая угольная база. В связи с этим основными задачами КХП [68, 71, 74, 76, 91, 93, 95, 96] являются рациональное формирование угольной шихты и совершенствование технологии коксования и тушения кокса с учетом взаимосвязей со всей энерготехнологической системой металлургического комбината.
Коксохимическая промышленность, являясь источником разнообразных видов химического сырья, обеспечивает производство кокса, необходимого для работы предприятий черной металлургии и ряда других отраслей промышленности. Основным потребителем кокса является черная металлургия, а точнее доменное производство, которое использует до 80% кокса в структуре его потребления [14, 38, 105]. Остальные 20% кокса потребляются на литейные цели (10%), на получение цветных металлов и в химическую промышленность (6%) и на прочие цели (4%). Исходя из этого, требования к качеству кокса определяются особенностями технологии доменного производства. Одним из основных показателей металлургического кокса является его прочность, которая зависит и от состава шихты для коксования [2, 3, 32, 34, 47, 80, 84, 90], и от технологии коксования [26, 42, 52, 73, 96, 98, 105], и от способа тушения кокса [6, 21, 24, 99, 107]. Этот факт предопределяет особенности работы следующих основных цехов КХП: углеподготовительного, углеобогатительного и коксового, для повышения эффективности работы которых реализуются различные мероприятия. Например, на ОАО «Алчевск-кокс» в 2006 г. был построен комплекс батареи №10-бис, на котором внедрена технология коксования предварительно уплотненной (трамбованной) угольной шихты [25]. Такая технология позволяет использовать шихту для коксования с большей долей слабоспекающихся углей без ухудшения качества кокса.
Для совершенствования энерготехнологической системы КХП на основе энергетических обследований некоторых российских МК ранее были предложены следующие энергосберегающие мероприятия для коксовых и химических цехов [91, 93]: с целью повышения качества кокса проводить перед процессом коксования оптимизацию угольной шихты; для возврата конденсата установить на газоподогреватели коксовых батарей паровые конденса-тоотводчики; осуществить изоляцию коллекторов коксового газа и регулирование работы вентиляторов в зависимости от температуры в обогревательном простенке; внедрить автоматизированный процесс регулирования длины факела в отопительных вертикалах коксовых печей с целью достижения равномерности нагрева и повышения прочности кокса; повысить долю сухого тушения кокса; с целью снижения расхода пара на технологию обеспечить изоляцию корпусов испарителей; проводить более глубокую очистку коксового газа и гидрогенизационную переработку бензола и коксовой смолы.
Для моделирования и оптимизации энерготехнологической системы МК по расходу ТЭР используется в т.ч. и программно-информационная система «ОптиМет» [79, 93], в которой реализована связь с базой данных программно-измерительного комплекса СИАМС. Эти данные используются в расчётах характеристик кокса: холодной прочности М25 и М25,40, истираемости М10, CSR и др. Применение этой системы для оптимизации закупок угольного сырья позволяет снизить энергопотребление МК за счет снижения энергопотребления в конверторном производстве, повышения использования ВЭР сталеплавильного производства и т.д.
Производство кокса относится к высокотемпературным процессам и потребляет значительное количество топлива [26, 73, 95, 98, 105]. В то же время коксовые батареи – основной источник ВЭР. В основном это тепловая энергия горячего кокса. Наибольшие потери тепловой энергии на данном переделе происходят при тушении кокса.
Технологический процесс производства кокса заканчивается выдачей его из печей при температуре 950-11000С. Чтобы предотвратить горение раскаленного кокса после выгрузки из печи, а также сделать кокс пригодным для транспортировки и хранения, необходимо снизить его температуру до 200-2500С, при которой исключается самовозгорание и тление, т.е. необходимо кокс потушить. В настоящее время на КХП применяют два способа тушения кокса: мокрый и сухой. При мокром способе тушения кокса физическая тепловая энергия кокса теряется безвозвратно. В РФ по статистике 60% кокса на КХП тушится мокрым способом, в результате этого физическая тепловая энергия горячего кокса используется не более чем на 30%. При мокром тушении кокса происходит значительный выброс в окружающую среду таких вредных веществ, как аммиак, фенолы, серные и сернистые соединения. Кроме этого, показатели прочности кокса сухого тушения выше, чем кокса мокрого тушения: CSR выше на 2-4 ед. [27] ; М25 выше на 1,9 ед. [29, 67], а М10 ниже на 0,8 ед.
При сухом тушении кокса тепловая энергия горячего кокса утилизируется и используется на выработку пара для нужд предприятия. Существуют различные установки сухого тушения кокса [99]: многокамерные, контейнерные, камерные установки бункерного типа с надземным и подземным расположением. Наибольшее распространение в силу своей эффективности, т.к. они более компактные, по сравнению с многокамерными установками, и, кроме этого, они являются установками непрерывного действия в отличие от других типов установок, являющихся установками периодического действия, получили камерные установки бункерного типа с надземным расположением системы Гипрококса. Эти установки снабжены форкамерами, что позволяет обеспечить равномерность прогрева кокса по объему: в форкамере недогре-тый кокс головок и верха пирога проходит дополнительную прокалку, и качество кокса выравнивается.
В настоящее время сухое тушение кокса осуществляется преимущественно в установках бункерного типа, которые являются наиболее эффективными с теплотехнической точки зрения [39, 99], т.к. в этих установках процесс тушения приближается к непрерывному. При такой технологии тушения кокса обеспечивается достаточно равномерный температурный режим, что повышает надежность работы огнеупорной кладки элементов установки. Кроме этого, применяемые сегодня на МК установки бункерного типа системы Гипрококса снабжены форкамерами, что позволяет, во-первых, улучшить качество кокса и, во-вторых, обеспечить подвод к котлу-утилизатору достаточно стабильного количество тепловой энергии при постоянной температуре. Также нужно учитывать, что при прохождении через бункер разрушаются крупные непрочные куски кокса и увеличивается выход фракций средней крупности, что повышает однородность кокса с точки зрения анализа его структуры по фракциям. В результате в таких установках более высокая интенсивность теплообмена и более равномерный выход пара из котлов-утилизаторов, а также, более высокое качество кокса, что повышает эффективность работы коксохимического и доменного производства в частности и МК в целом.
Описание процесса и результатов экспериментальных исследований по возможности повышения качества кокса на стадии сухого тушения
Анализ приведенных в (2.15) результатов показывает, что использование разработанного алгоритма расчета (2.8)-(2.9) позволяет добиваться повышения прочности кокса на стадии подготовки угольной шихты и коксования.
Таким образом, приведенный алгоритм взаимосвязи состава шихты с истираемостью, дробимостью и горячей прочностью полученного кокса позволяет рассматривать различные варианты компьютерного моделирования и оптимизации прочностных характеристик металлургического кокса, что имеет большую практическую ценность.
Формирование состава шихты с использованием результатов расчета разработанной программы позволит добиться повышения прочности кокса, вырабатываемого в КХП из этой шихты, на стадии подготовки угольной шихты и коксования.
Далее в диссертационной работе рассматриваются вопросы анализа и оценки возможностей повышения энерготехнологической эффективности КХП за счет повышения качества кокса на стадии сухого тушения, что является по сути разработкой нового способа повышения прочности кокса.
В диссертационной работе предлагается организация процесса охлаждения кокса в УСТК с применением нового способа тушения кокса [11], описание и результаты применения которого рассмотрены в главе 4. Описание процесса и результатов экспериментальных исследований по возможности повышения качества кокса на стадии сухого тушения
Предлагаемый в диссертационной работе способ сухого тушения кокса [11, 12] был апробирован в лабораторных условиях НИУ Московского энергетического института на коксе КХП ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК».
Металлургический кокс с весом 300 г и диаметром частиц 20 мм поместили в стендовую установку (рис.2.4, 2.5).
Согласно схеме стендовой установки, по трубке с диаметром 8 мм в реактор подали природный газ со скоростью 0,1 м/с и продули установку сначала без нагрева, чтобы исключить взаимодействие кокса с воздухом при повышении температуры, затем включили нагрев реактора.
Постепенно подняли температуру в установке до 950-10000С. При такой температуре кокс продували природным газом два часа, после чего нагрев выключили. Зависимость изменения температурного режима в реакторе по времени в течение всей продолжительности опыта отображена на рис. 2.6 (протокол измерения температуры в ходе проведения эксперимента представлен в приложении 1).
Часть обработанного кокса отправили на диагностику прочности в лабораторию ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Результаты замеров прочностных показателей металлургического кокса до и после обработки метаном приведены в таблице 2.1. 12 1000 800 600 400 200
Вторую часть обработанного кокса использовали для определения прочности кокса методом ядерно-магнитного резонанса. Повышение прочности кокса было подтверждено исследованием ЯМР 1Н спектров образцов кокса до и после обработки природным газом.
Эти результаты согласуются с фундаментальным представлением о структуре углеродистых материалов, согласно которому углерод имеет сле-45 дующие кристаллические формы: алмаз, графит и промежуточные состояния между ними (например, кокс). Атомы углерода в кристаллах алмаза и графита отличаются тем, что в алмазе они имеют тетраэдрическую гибридизацию, которую принято называть «алкильный углерод (САL)», а в графите – тригональную гибридизацию, которую принято называть «ароматический углерод (СAR)» (рис.2.7). В коксе атомы углерода имеют и ту, и другую гибридизацию, и чем больше в коксе атомов с тетраэдрической гибридизацией, тем выше прочность кокса.
На прочностные характеристики металлургического кокса влияют особенности его микроструктуры. Результаты теоретических и экспериментальных исследований показали, что коксы содержат две формы углеродных атомов – ароматические и алкильные. Прочность кокса определяется присутствием алкильных углеродов. Ароматические же углероды образуют графито-подобную структуру, состоящую из конденсированных ароматических колец, имеющих низкую прочность. Роль алкильных углеродов заключается в том, что они связывают отдельные ароматические кластеры прочными С-С связями. Чем больше в структуре кокса таких связей, тем прочнее он должен быть. Следовательно, прочностные характеристики металлургического кокса определяются соотношением в его структуре двух форм углерода, которые можно с высокой точностью определить спектрометрическими методами ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) [31, 42].
Согласно литературным данным по химическому анализу металлургический кокс, несмотря на различное исходное сырье, состоит преимущественно из углерода (около 90% веса) и водорода (около 5% веса). Хотя меньшие концентрации кислорода, серы, азота и ряда металлов (ванадий, никель, железо) также присутствуют в нем, для изучения коксов используют методики ЯМР доминирующих элементов – 13С и 1Н.
Суть метода. Из спектра ЯМР 13С и 1Н получают совокупность характеристик, определяющих все свойства соответствующего кокса. Совокупность состоит из шести независимых количественных характеристик, отвечающих содержанию атомов углерода и водорода различного типа: алкиль-ных и ароматических – протонированных и не протонированных, имеющих и не имеющих на этих атомах избыточную электронную плотность за счет парамагнитных центров (ПМЦ). Спектр ядерно-магнитного резонанса (ЯМР) [31] кокса, полученный при исследовании кокса, состоит из двух пиков (рис. 2.8): интенсивный, соответствующий СAR и слабый соответствующий СА.
При проведении анализа результатов измерения прочности кокса и данных исследований ЯМР спектров образцов кокса была установлена зависимость между реакционной способностью кокса и интенсивностью сигнала (рис. 2.9). Доказано, что при усилении интегральной интенсивности узкого сигнала НА в спектре ЯМР Н-1 MAS реакционная способность кокса снижается и, следовательно, СSR увеличивается.
Расчет расхода природного газа для повышения прочности кокса с использованием теории пористости кокса
Энерготехнологическая система СТК с использованием нового способа сухого тушения кокса. Для расчета распределения температуры, теплообмена, химического состава охлаждающего газа, необходимого расхода воздуха, необходимости инертизации и угара кокса была использована термодинамическая модель, разработанная и представленная ниже.
При использовании нового способа тушения кокса охлаждение кокса осуществляется в два этапа: на первом этапе кокс охлаждается в результате проходящей реакции эндотермического разложения природного газа; на втором этапе кокс охлаждается циркулирующими инертными газами.
На 1 этапе охлаждения, кроме тушения кокса также повышается прочность кокса в результате происходящих структурных изменений в коксе за счет увеличения соотношения С АL/СAR, т.е. при предлагаемой обработке кокса метаном в УСТК будут получены одновременно технологический и энергетический эффект.
Получаемые продукты разложения метана при обработке кокса будут дожигаться путем подачи в газоход между камерой УСТК и КУ воздуха или ки слорода, что позволит повысить паропроизводительность энерготехнологической системы УСТК-КУ и избежать взрывоопасных концентраций циркуляционного газа.
В диссертационной работе была разработана методика расчета теплового баланса в энерготехнологической системе УСТК-КУ, решение уравнений которой позволило определить количество вырабатываемого в КУ пара и расхода природного газа, подаваемого в УСТК для упрочнения кокса, ГДж/ч: 2к + 2у + СН4 = 2р энд + 2прод + 2ц.г + Q п.у + 2атм (4.17) 2прод + Єц УСТК + 2в + бреак = 2пар + о.с + сбр + йКУ (4.18) где Qк - тепловая энергия, получаемая при охлаждении кокса в камере тушения; Qу - тепловая энергия, получаемая в результате угара части кокса при тушении; бСН4 – тепловая энергия, поступающая в УСТК с природным газом; Qрэенадк – тепловая энергия, необходимая для эндотермической реакции разложения метана; бпрод - тепловая энергия, уносимая из камеры тушения газообразными продуктами разложения природного газа; бцг – тепловая энергия, переданная от кокса к циркулирующим газам; Qп.у - тепловая энергия, теряемая вследствие подсоса и утечек циркулирующих газов в системе; Qатм - тепловая энергия, теряемая поверхностью камеры тушения в атмосферу; QцУ.гСТК – энергетический потенциал циркулирующих газов, выходящих из УСТК; Qв - тепловая энергия воздуха, поступающего на горение; Qрэеказк - тепловая энергия, выделившаяся при экзотермической реакции горения газообразных продуктов разложения природного газа; Qпар - тепловая энергия, переданная пару в котельном агрегате; Qос - тепловая энергия, теряемая котельным агрегатом в окружающую среду; бсбр- тепловая энергия, теряемая с избыточными циркулирующими газами; QцК. гУ - тепловая энергия циркулирующих газов, выходящих из КУ за вычетом тепловой энергии избыточных газов. При условии 100% разложения метана на упрочнение 1 тонны кокса необходимо 19,44 м3. Из реакции термического распада СН: СН4 2Н2 + Ссажа - 3530 кДж/м3, СН (4.19) и установленной в работе зависимости доли разложения природного газа от температуры (в расчете принято значение 95% (рис. 3.4)), было найдено (значения приведены на 1 т кокса): количество углерода, осажденного на коксе, Agк, углерода, который «сшивает» графитоподобные кластеры кокса прочной химической связью: 10,4 кг (19,44/0,022412=10416 г);
Определена температура внутри форкамеры УСТК после разложения природного газа. При условии 95% термического разложения метана она составит 983С (табл. 4.6). Расчет проводился методом последовательных приближений исходя из положения о равенстве теплосодержания всех потоков внутри форкамеры УСТК до и после реакции термического разложения природного газа:
Итого 114,31 100,0 Итого 114,31 100,0 Газообразные продукты реакции (с каждого 1 м3 природного газа образуется 1,9 м3 водорода и 0,05 м3 природного газа, который не разлагается) отводятся из форкамеры, далее подаются в газоход между УСТК и КУ, на входе в который дожигаются с воздухом (кислородом), что позволит повысить паропроиз-водительность энерготехнологической системы УСТК-КУ и избежать взрывоопасных концентраций циркуляционного газа. Отметим, что при предлагаемой обработке кокса метаном в УСТК будут получены одновременно технологический и энергетический эффект.
Тепловой и материальный баланс энерготехнологической системы сухого тушения кокса до и после модернизации
Количество кокса, подаваемого в УСТК, составляет 3306,5 тыс.т кокса/год (рассчитано исходя из доли коксовой мелочи, расхода кокса на доменное производство, процента угара кокса и процента прироста кокса при его упрочнении) на каждую тонну кокса в форкамеру УСТК подается 20,5 м3 природного газа, калорийный коэффициент газа (заложенные в «ОптиМет») - 1,156 т у.т./тыс м3. Исходя из этого был рассчитан расход природного газа, необходимый для упрочнения кокса, он составил 78 тыс. т у.т./год (увеличится на 3,5%). В результате увеличения доли используемых тепловых ВЭР выработка тепловой энергии в энерготехнологической системе УСТК-КУ возросла до 223 тыс. т у.т./год, а количество тепловой энергии, подаваемой на генерацию электроэнергии на ТУЭС до 214 тыс. т у.т./год. Выработка электроэнергии на ТУЭС при этом вырастет до 203,2 тыс. т у.т./год.
На рис. 4.7 и 4.8 представлен баланс УМК до и после внедрения предлагаемых в диссертационной работе мероприятий.
В результате применения нового СТК на МК сократится потребление угольной шихты, вырастет потребление природного газа и сократиться потребление электроэнергии из объединенной энергосистемы (ОЭС). Рис. 4.7. Топливно-энергетический баланс УМК при традиционном способе сухого тушения кокса
Проведем оценку экономической эффективности применения нового СТК. Для этого рассчитаем снижение затрат, получаемое вследствие изменения ТЭБ МК исходя из данных, представленных в табл. 4.15.
На начало 2016 года рыночная цена на коксующиеся угли составила в среднем 5 тыс. руб./т угля [120]. Это значение было использовано при оценке величины снижения затрат на угольную шихту.
Стоимость природного газа была определена исходя из цен, указанных в приложении к приказу Федеральной службы по тарифам (ФСТ России) от 8 июня 2015 г. № 218-э/3. Интервал цен на газ, используемых в качестве предельных минимальных и предельных максимальных, по субъектам РФ составляет 3646-4459 руб./тыс. м3. В расчете было использовано значение стоимости газа 4000 руб./тыс. м3.
Стоимость электроэнергии зависит от многих показателей. В работе был проведен анализ тарифов на электроэнергию, складывающихся в различных регионах РФ [122]. Для усредненной оценки изменения затрат на оплату электроэнергии, покупаемой из объединенной энергосистемы, был принят тариф 3 руб./кВтч. В случае расчета результата для конкретного МК необходимо учитывать те общие условия, что характерны для купли-продажи электроэнергии в конкретном регионе и индивидуальные условия предприятия: объемы приобретаемой электроэнергии по свободным договорам, сложившиеся цены на оптовом и розничном рынках, выбранная конкретным предприятием ценовая категория и т.д.
В данной диссертационной работе нет необходимости рассчитывать индивидуальные тарифы на электроэнергию и на природный газ для каждого МК в отдельности, т.к. оценка экономической эффективности проводится на основании относительных изменений составляющих ТЭБ для усредненного МК, не привязанного к конкретному региону.
При анализе полученных результатов нужно учитывать, что в период с 2011 по 2016 год цена на коксующиеся угли упала с 10 до 5 тыс.руб./т угля (это минимальная цена за последние 20 лет)[120]. При расчете экономических результатов была принята текущая стоимость, что снижает экономический эффект, получаемый от снижения доли потребления коксующихся углей. В перспективе цена на коксующиеся угли должна вырасти, т.к. при сложившейся цене добыча угля становится не рентабельной. Поэтому экономический эффект будет в действительности выше, нежели приведенный в таблице 4.16.
Таким образом, предлагаемое в работе комплексное решения проблемы упрочнения кокса и увеличения доли используемых тепловых ВЭР горячего кокса позволяет сократить расход топливно-энергетических ресурсов для те-плотехнологического комплекса черной металлургии: оптимизация по энергетическому критерию КХП энерготехнологической системы МК позволяет получить экономию и повысить качество получаемого продукта.