Введение к работе
Актуальность работы.
Коксохимическое производство (КХП) является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на металлургическом комбинате (МК). На производство кокса расходуется порядка 67% всех ТЭР, потребляемых на КХП. Основным продуктом на КХП является кокс, который получают в коксовых батареях. Годовой выжиг кокса на крупных МК, в зависимости от количества коксовых батарей и их производительности, составляет 3-5 млн. тонн. Коксовые батареи потребляют следующие виды топливно-энергетических ресурсов: коксовый газ, доменный газ, пар и электроэнергию.
Для определения актуальности диссертационной работы, на базе проведенного энерготехнологического обследования МК полного цикла ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ОАО «ЗСМК») рассмотрен баланс потребления и выработки ТЭР на КХП, отнесена доля затрат ТЭР на коксовый цех, как части КХП, и определен потенциал энергосбережения в коксовых цехах и коксовых батареях в частности.
Основным потребителем ТЭР на КХП комбината является коксовое производство. При производстве 3,8 млн. т сухого кокса в коксовых цехах (КЦ) расходуют 507 тыс. т у.т. в год. Основными потребителями ТЭР в КЦ являются коксовые батареи – 485 тыс. т у.т. в год. Годовое потребление ТЭР батареями составляет: коксовый газ – 548 млн. м3 (309 тыс. т у.т.), доменный газ – 1120 млн. м3 (150 тыс. т у.т.), пар – 617 тыс. ГДж (21 тыс. т у.т.), электроэнергия – 40 млн. кВт-ч (5 тыс. т у.т.).
На основе проведенного энергетического обследования определен следующий потенциал энергосбережения для батарей: снижение потерь теплоты от неполного сгорания – 11 тыс. т у.т. в год, полезное использование теплоты с продуктами сгорания после регенератора – 48 тыс. т у.т. в год, снижение потерь теплоты через ограждения коксовой батареи в окружающую среду – 31 тыс. т у.т. в год, полезное использование теплоты коксового газа на выходе из батарей – 55 тыс. т у.т. в год.
По основным энерготехнологическим показателям проводилось сравнение эффективности работы коксовых батарей комбината с современными высокоэффективными зарубежными батареями. Сравнение показало высокий потенциал энергосбережения батарей комбината и подтвердило необходимость его реализации.
При реализации потенциала энергосбережения необходимо учитывать влияние вводимых изменений на качество кокса. Кокс должен обладать высоким качеством, стандарты для которого определяет доменное производство. Чем ниже качество кокса, тем больше потребление ТЭР в доменном производстве. Повышение качества кокса является приоритетной актуальной для комбината целью, достижение которой позволит сократить потребление ТЭР. При увеличении горячей прочности кокса CSR на 1%,
годовая экономия в доменных печах составит 9200 тыс. тонн кокса в год, что обеспечит экономический эффект в 30 млн. рублей в год.
В коксохимической промышленности России эксплуатируются 62 батареи, которые производят 40 млн. тонн кокса в год. Фактический срок эксплуатации большинства батарей превышает 30 лет, хотя нормативный амортизационный срок эксплуатации 20 лет. Актуальной задачей является создание батарей с более эффективными конструктивными характеристиками для качественного улучшения процесса коксования.
Для повышения энерготехнологической эффективности коксовой батареи необходимо применять новые современные методы исследования, такие как трехмерное численное моделирование. В диссертационной работе на основе современного вычислительного комплекса «Fluent» проведено трехмерное численное исследование физико-химических процессов в обогревательных вертикалах печной камеры коксовой батареи.
Повышение энерготехнологической эффективности коксовой батареи металлургического комбината обеспечит значительный экологический эффект на основе снижения вредных выбросов и, как следствие, уменьшение их влияния на здоровье людей.
Цель работы.
Повышение энерготехнологической эффективности коксовой батареи металлургического комбината за счет совершенствования режимных параметров на основе трехмерного моделирования тепловых процессов для улучшения показателей качества кокса.
Задачи работы:
Определение потенциала энергосбережения, направлений повышения энерготехнологической эффективности и разработка энергосберегающих мероприятий.
Обоснование целесообразности применения трехмерной численной модели по сравнению с двух- и одномерными моделями.
Проведение численных исследований физико-химических процессов в печной камере коксовой батареи на основе применения методов трехмерного численного моделирования в программном комплексе «Fluent».
Обоснование пригодности численной модели на основе сравнения с данными натурного (промышленного) эксперимента.
Применение численной модели для повышения равномерности распределения температур в обогревательном вертикале батареи относительно эксплуатации при фактических режимных параметрах.
Оценка влияния равномерности распределения температур в обогревательном вертикале на распределение температур в коксовой камере и показатели качества кокса.
Оценка энергетической эффективности и экономической целесообразности использования разработанных решений для повышения качества кокса по высоте, ширине и длине коксового пирога.
Определение воздействия повышения энерготехнологической эффективности коксовых батарей на снижение вредных выбросов.
Научная новизна:
Впервые, на основе применения трехмерного численного моделирования физико-химических процессов в печной камере в сочетании с данными, полученными в ходе промышленного эксперимента на коксовой батарее, определено распределение компонентов газовой смеси, температур в факеле и на стенках, разделяющих печную и коксовую камеру.
На основании полученных данных при численном и экспериментальном исследовании зафиксирована неравномерность распределения температур, горючих компонентов газовой смеси и скоростей по объему печной камеры, что позволило определить наиболее эффективные режимные параметры батареи относительно фактического режима эксплуатации для повышения степени равномерности распределения температур и показателей качества кокса в коксовом пироге.
Практическая ценность:
Определен удельный потенциал энергосбережения в коксовой батарее, базирующийся на снижении потерь теплоты с химическим недожогом топлива, с уходящими газами, через ограждения в окружающую среду и с коксовым газом на выходе из батарей, который составляет 39 кг у. т./ т сухого кокса или 30% от общего потребления ТЭР батареей.
Снижение потребления ТЭР в коксовой батарее при реализации разработанных энергосберегающих мероприятий составляет 2,8 кг у. т/ т сухого кокса или 2,2 % от суммарного потребления.
Снижение расхода кокса в доменной печи за счет реализации энергосберегающих мероприятий, разработанных для улучшения показателей качества кокса в коксовых батареях, составляет 9,7 кг кокса/ т чугуна или 2,3 % от суммарного расхода кокса в доменной печи.
Внедрение мероприятия по повышению степени равномерности обогрева коксового пирога позволило увеличить показатель качества кокса CSR в среднем по коксовому пирогу на 1%, что позволяет снизить расход кокса в доменной печи на 1,7 кг кокса/т чугуна. При выплавке 5,3 млн. т чугуна снижение расхода кокса составляет 9200 т кокса в год. Экономический эффект составляет 30 млн. рублей в год.
Достоверность.
Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных экспериментальных и численных исследованиях. Сравнение результатов численных исследований, полученных на модели, с экспериментальными данными показывают удовлетворительную сходимость.
Личное участие.
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 12, 13, 14, 15 и 16 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва. 2006 – 2010г.), третьей и четвертой Всероссийских школах-семинарах молодых ученых и специалистов (г. Москва, МЭИ, 2006г., 2008г.), 7-ой международной научно-технической конференции «Тепло – и массообменные процессы в металлургических системах» (г. Мариуполь, Украина, ПГТУ, 2006 г) и пятой Международной научно-практической конференции в МИСиС «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (г. Москва, МИСиС 2010 г.).
Публикации.
Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 18 публикациях, в том числе в 4-х статьях рекомендованных ВАК журналах.
Структура и объем работы.
Диссертация изложена на 178 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения. Работа содержит 52 рисунка и 43 таблиц, 4 приложения, список использованных источников содержит 68 наименований.
