Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Энергетический и экологический анализ действующих систем производства водорода 11
1.1. Оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода, производимого электролизом воды 13
1.1.1. Анализ действующего производства водорода электролизом воды 13
1.1.2. Анализ термодинамически идеальной модели производства водорода электролизом воды 17
1.2. Оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода на основе пароводяной конверсии природного газа (ПВК) 21
1.2.1. Анализ действующего производства ПВК 21
1.2.2. Анализ термодинамически идеальной модели производства водорода ПВК 26
1.3. Выводы по главе 1 31
Глава 2. Продукты термического разложения природного газа - экстремальный источник энергии и эффективное сырье для производства водорода 33
2.1. Продукты термического разложения природного газа - экстремальный источник энергии 33
2.2. Рассмотрение вопросов термодинамики и кинетики процесса термического разложения природного газа 39
2.3. Анализ энергетической эффективности способов термического разложения природного газа 44
2.3.1. Плазмотроны для термического разложения природного газа 45
2.3.2. Регенераторы с насадкой периодического действия для термического разложения природного газа 47
2.3.3 Анализ энергетической и экологической эффективности действующих способов производства водорода на базе термического разложения природного газа 49
2.3.4. Анализ действующих способов разделения продуктов термического разложения природного газа 58
2.4. Способ термического разложения природного газа в жидкометаллическом теплоносителе 60
2.5. Выводы по главе 2 64
Глава 3. Формирование концептуальной теплотехиологическои основы перспективной модели производства водорода на базе термического разложения природного газа 66
3.1. Разработка термодинамически идеальной модели производства водорода на базе термического разложения природного газа 66
3.1.1. Разработка тепловой схемы и построение температурного графика производства водорода 66
3.1.2. Энергоемкость технологии производства водорода методом термического разложения природного газа 69
3.1.3. Совокупный выход диоксида углерода в технологии производства водорода методом термического разложения природного газа 71
3.2. Разработка термодинамически идеальной модели производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА 71
3.2.1. Разработка математической модели энергохимической аккумуляции 72
3.2.2. Разработка тепловой схемы и построение температурного графика модели производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА 75
3.2.3. Энергоемкость технологии производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА 83
3.2.4. Оценка совокупного общего выхода диоксида углерода в технологии производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА 84
3.2.5. Оценка энергоемкости и совокупного общего выхода диоксида углерода в практической модели технологии производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА 84
3.3. Разработка конструктивных схем реакторов для термического разложения природного газа в жидких расплавах 86
3.3.1. Выбор жидкометаллических теплоносителей для получения СВС в расплаве 86
3.3.2. Разработка принципиальных схем реакторов для термического разложения природного газа в расплаве в режиме высокофорсированной продувки 88
3.4. Выводы по главе 3 96
Глава 4. Разработка перспективной модели производства водорода в условиях предприятия черной металлургии .98
4.1. Формирование концептуальной модели ТТК крупномасштабного производства водорода на базе комплексного использования природного газа и комбинированного производства в черной металлургии 99
4.2. Элементы схемы комбинированного производства в условиях предприятия черной металлургии 103
4.2.1. Производство чугуна и водорода 103
4.2.2. Производство кислородно-конвертерной стали 107
4.2.3. Плавка лома и переработка металлургических шлаков на полупродукт для получения цементного клинкера (ППЦК) 108
4.2.4. Производство плавленого цементного клинкера 113
4.2.5. Использование конвертерных газов 117
4.2.6. Расчет энергоматериалопотребления комбинированного производства 125
4.3. Расчет энергоемкости и совокупного выхода диоксида углерода в комбинированном производстве 129
4.3.1. Расчет энергоемкости производства продуктов в комбинированном производстве 129
4.3.2. Расчет выхода диоксида углерода в комбинированном производстве 131
4.3.3. Расчет энергоемкости и общего диоксида углерода продуктов в комбинированном производстве в зависимости от доли металлического лома в металлошихте 134
4.3.4. Расчет коэффициентов полезного использования энергии для оценки комбинированного производства 138
4.3.5. Оценка дополнительного производства водорода на базе получаемых вторичных топлив в комбинированном производстве 139
4.4. Выводы по главе 4 141
Общие выводы по работе 144
Литература 147
Приложение 157
- Оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода на основе пароводяной конверсии природного газа (ПВК)
- Рассмотрение вопросов термодинамики и кинетики процесса термического разложения природного газа
- Разработка термодинамически идеальной модели производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА
- Элементы схемы комбинированного производства в условиях предприятия черной металлургии
Введение к работе
Решение проблем водородной энергетики внесет весомый вклад в создание экологически безопасных и энергосберегающих теплотехнических и энергетических комплексов. Использование водорода в различных отраслях характеризуется достаточно высокими энергетическими, экономическими и экологическими эффектами, а использование водорода у потребителей для производства электрической энергии при отказе от централизованных систем электроснабжения позволит в значительной степени улучшить экологическую обстановку и сократить выбросы диоксида углерода в атмосферу.
Огромный вклад в развитие водородной энергетики в нашей стране внесли исследователи организаций: Институт водородной энергетики и плазменных технологий, ФГУ Российский научный центр «Курчатовский институт», Московский энергетический институт (ТУ) (каф. ХиЭЭ); ФГУП «Исследовательский центр им. М.В. Келдыша», Институт катализа им. Г.К. Борескова, Институт физической химии и электрохимии имени А.Н. Фрумкина, Институт проблем химической физики, Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (физический и химический факультеты), Институт электрофизики Уральского отделения РАН и другие научно-исследовательские организации страны.
К проблемам водородной энергетики обращено внимание не только научных работников, но и правительств многих стран мира, в том числе и правительства России, так как эта отрасль будет широко востребована в ближайшем будущем. Поэтому сегодня необходимо выполнять научно-исследовательские работы для разработки технологий водородной энергетики, которые смогут конкурировать с традиционными технологиями, основанными на сжигании органического топлива.
Становится необходимым решение проблем, связанных с получением, хранением, транспортом и использованием водорода.
Мировое производство водорода составляет почти 50 млн. т в год [1]. На основании данных, опубликованных в [1—3] доля производства водорода паровой конверсией метана достигает 90%, электролизом воды 4-10%, при этом часть водорода
7 производится при использовании угля.
Основными потребителями водорода на данный момент являются химическая и нефтеперерабатывающая отрасли (до 90% от общего объема водорода). Также достаточно крупными потребителями водорода можно считать металлургическую, металлообрабатывающую, пищевую, электронную, фармацевтическую, стекольную отрасли промышленности, ракетно-космическую технику, а также использование водорода в качестве топливного газа на транспорте. Масштабы и струкгура рынка потребления водорода в XXI в. показаны в табл. 1 [4].
Таблица 1 Масштабы и структура рынка водорода в XXI веке
Из таблицы видно, что потребление водорода в качестве автомобильного топлива значительно возрастет и составит более половины от общего потребления. Производство водорода в виде синтетического топлива составит более 22%. Потребление водорода в металлургии возрастет более чем в 10 раз по сравнению с уровнем 2000 года.
Действующие технологии производства водорода характеризуются относительно высокой энергоемкостью, превышающей собственную энергоемкость водо-
8 рода, что приводит к повышенному выбросу ССЬ в атмосферу. Так как обеспечение энергопотребления осуществляется в первую очередь за счет сжигания большого количества первичного органического топлива.
Известно, что увеличение содержание С02 в атмосфере будет существенно влиять на рост смертности и снижение рождаемости населения планеты, что потребует жесткого ограничения выбросов ССЬ на уровне мирового сообщества (по аналогии с Киотским протоколом) [5]. В этой ситуации развиваться прежними темпами смогут только те страны, которые будут готовы перейти с углеводородных технологий на водородные при сокращении выбросов С02 в атмосферу. Тем более что они до определенного времени считались достаточно желательным продуктом процессов горения органического топлива, по сравнению с другими веществами в воздушной среде, такими как выделение окислов азота, монооксида углерода, двуокиси серы, сажи и канцерогенных веществ (типа бензопирена), которые оказывают сверхотрицательное влияние практически на все элементы окружающей среды.
Заявленные масштабы потребности в водороде без дополнительного загрязнения окружающей среды могут быть обеспечены только при разработке новых способов производства водорода, которые не повлекут за собой значительных затрат энергии и ухудшение экологической обстановки.
Существующий широкий комплекс исследовательских работ, ориентированный на проблему производства водорода, включает в себя совершенствование действующего оборудования, что приводит к получению энергосберегающих, экологических и экономических эффектов. В работах [1,4,10] показано, что разработка способов производства водорода на базе ядерно-технологических комплексов и атомной энергии является весьма перспективным. Одновременно в работе [9], указывается, что использование ядерных и атомных энергетических технологий может принести к значительным пагубным воздействиям на окружающую среду, при этом предлагается в качестве первичного источника энергии для получения водорода использовать солнечную энергию. Известно [10], что схемы производства водорода на базе солнечной энергии представляют интерес только для сравнительно мелких автономных потребителей.
Вместе с тем имеются значительные резервы энергосбережения и повышения экологической эффективности при производстве водорода, основанного на комбинировании с теплотехнологическими системами и комплексами.
Наиболее перспективными могут стать способы производства водорода, организованные в области технологических производств, основанных на термическом разложении природного газа, при технологическом использовании углерода. Так как теплотехнологический комплекс страны, включающий все многообразие замкнутых теплотехнологических производственных комплексов, непосредственно потребляет около 2/3 добываемого в стране топлива, 1/3 вырабатываемой электрической и более 1/2 тепловой энергии.
К числу основных потребителей энергоресурсов можно отнести отраслевые теплотехнологические комплексы (ТТК) черной и цветной металлургии, промышленности строительных материалов и др. Эти ТТК в своей принципиальной основе сложились еще в «доэкологический период», когда не наблюдалось даже ростков таких острых современных проблем, как глубокое энергосбережение, экономия минеральных ресурсов, экологическая безопасность, экономия пресной воды. Также необходимо отметить, что современные промышленные теплотехнологические комплексы обладают значительными вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР), которые мало используются. К ВЭР можно отнести физическую и химическую теплоту отходящих газов, теплоту шлаков, теплоту технологических продуктов и др. Низкая степень использования ВЭР в теплотехнологических производствах в первую очередь связана с примитивностью тепловых схем, направленных на энергетическое использование и получение низкопотенциальной теплоты (водяной пар, горячая вода). Производимая низкопотенциальная теплота, как правило, востребована только в определенное время года и в ограниченном количестве.
Известно, что использование ВЭР теплотехнологических производств в технологических целях может дать энергосберегающий эффект в значительной степени, превышающий эффект от использования ВЭР в энергетических целях [6].
Таким образом, изыскание способов производства водорода на базе теплотехнологических производств является весьма перспективным.
В качестве наиболее перспективной профессиональной и методологической базы поиска и разработки перспективной модели производства водорода на базе те-плотехнологического комплекса предлагается методология интенсивного энергосбережения, разработанная в МЭИ(ТУ) профессором Ключниковым А.Д. Мероприятия интенсивного энергосбережения, в отличие от традиционных, ставят перед собой задачи достижения одномоментного, предельно высокого, крупномасштабного энергосберегающего эффекта.
Это достигается на базе системного энергетического анализа крупных производственных комплексов и на основе изменения, в общем случае, принципиальных основ технологии, техники управления, повышения качества продукции и полноты конечного использования.
Суммируя изложенное, интенсивное энергосбережение можно с полным основанием уподобить «тягачу» общего прогресса теплотехнологических систем и комплексов [7, 8]. Основываясь на методологии интенсивного энергосбережения, возможна разработка перспективных моделей энергоматериалосберегающих и экологически совершенных теплотехнологических систем и комплексов будущего, в том числе и для производства водорода.
Цель работы: Выявление перспектив существенного повышения энергетической и экологической эффективности крупномасштабного производства водорода на базе природного газа
Цель достигается на базе решения следующих задач:
проведение сравнительного энергетического и экологического анализа действующих систем производства водорода;
определение сравнительных характеристик и перспектив возможных новых способов производства водорода на базе природного газа;
оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода на базе комплексного использования природного газа и комбинирования технологических процессов в теплотехнологическом комплексе черной металлургии.
Оценка энергетической и экологической эффективности производства водорода на основе пароводяной конверсии природного газа (ПВК)
В настоящее время в мировом масштабе способом ПВК производится около 90 % синтез . Он является наиболее дешевым способом по сравнению с другими действующими способами производства водорода. Наиболее часто используемая схема производства водорода на базе пароводяной конверсии природного газа представлена на рис. 1.2. [16].
Традиционно для получения водорода используется паровая каталитическая конверсия углеводородного сырья (ПВК) в трубчатых печах или в шахтных реакторах на никелевом катализаторе, при этом необходимо обеспечить подвод теплоты для проведения эндотермической реакции. Теплота подводится дымовыми газами через стенки реакционных труб за счет сжигания топлива в межтрубном пространстве печи, а в шахтных реакторах — за счет сжигания части углеводородного сырья над катализатором путем подачи в реактор кислорода. Тепло дымовых газов и конвертированного газа используется для подогрева технологических потоков природного газа, воздуха и для получения пара.
После реактора паровой конверсии водородсодержащий газ при охлаждении в котле утилизаторе направляется в реактор пароводяной конверсии монооксида углерода, при этом необходим отвод теплоты для проведения экзотермической реакции на заданном температурном уровне. После этого водородсодержащий газ, предварительно охлаждаясь в подогревателе питательной воды и холодильнике, направляется на выделение чистого водорода в узел короткоцикловой адсорбции или в узел мембранного разделения водорода.
ЗТТК производства водорода пароводяной конверсией природного газа показано на рис. 1.3. Удельные усредненные затраты ресурсных и энергетических характеристик на производство водорода методом паровой конверсии природного газа приведены в табл.1.2, значения принимаются на базе анализа действующих установок производства водорода методом пароводяной конверсии природного газа различных фирм. На основании этих данных: производится расчет энергоемкости производства водорода, принимая значения удельных энергоемкостей исходных веществ из литературных данных [11-13]. Таким образом, энергоемкость производства водорода за счет ПВК в предлагаемом ЗТТК может быть рассчитана по формуле: где Ъпг ,ЬПГс- удельные расходы природного газа в качестве топлива и сырья, м /м (Н2); э"г— энергоемкость видимого расхода природного газа на уровне первичной энергии, кгу.тУм, определяемая в по формуле: где Qllu — низшая теплота сгорания природного газа, кДж/м ; Расчетное значение энергоемкости природного газа на уровне первич-ной энергии составило 1,43 кг у.т./м (ПГ). ё в , ы удельный расход сырьевой воды, поступающей на ПВК, кг/м3(Н2); эволы энергоемкость воды на уровне первичной энергии, кг у.т.м3 ); еээ- удельный расход электроэнергии, кВт-ч/м3(Н2); э"э- энергоемкость электрической энергии на уровне первичной энергии, кг у.т./кВт-ч; АЬ"23 — удельный расход первичного природного топлива, замещаемого производимым водородом, кг у.т. /м3 ). КПИ энергии производства водорода методом ПВК в условиях действующего производства составляет: Сопутствующий выброс С02 при получении водорода методом ПВК характеризуется следующими потоками: - диоксид углерода, образующийся от использования внешних источников энергии; - диоксид углерода, который образуется непосредственно в процессе пароводяной конверсии оксида углерода. Тогда совокупный выброс С02 в атмосферу от производства водорода рассчитывается по формуле: Здесь: Ь "ш/\,2- приведенный удельный расход топлива, непосредственно используемый в технологии производства водорода, кг у.т./м (Н2); V((] - со вокупный выброс С02 при производстве водорода ПВК, м (С02)/кг у.т.(Н2); vco удельный выброс С02 от сжигания внешнего первичного источника энергии, м (С02)/кг у. т; V(""K — удельный выброс диоксида углерода, образуе мого непосредственно в процессе конверсии, м (С02)/кг у.т. (Н2). Выбирая в качестве первичного топлива природный газ, совокупный вы брос СОг при производстве водорода ПВК составляет: Таким образом, совокупный выброс ССЬ от действующего производства водорода на основе ПВК превышает выброс от использования эквивалентного по теплоте сгорания природного газа в 2,04 раз. Таким образом, действующее производство водорода методом ПВК природного газа характеризуется повышенной энергоемкостью и высоким выбросом диоксида углерода в атмосферу, что не позволяет получать данным способом экологически чистый водород.
Рассмотрение вопросов термодинамики и кинетики процесса термического разложения природного газа
Результирующая химическая реакция термического разложения природного газа, в частном случае метана, может быть представлена в следующем виде: Термодинамика процесса термического разложения метана хорошо изучена. Известно, что заметное разложение метана при достижении термодинамического равновесия начинается с 500 С, а при температурах больше 900 С метан при достижении равновесия разлагается полностью на сажу и водород. Изучение равновесного состава продуктов термического разложения метана было проведено в программном комплексе «АСТРА-4», результаты расчетов приведены на рис. 2.5. На основании проделанных расчетов видно, что процесс термического разложения метана, при условии достижения термодинамического равновесия, начинается уже при температуре 350 С, при этом доля продуктов термического разложения не превышает 10%, на уровне температур 1000 С процесс термического разложения практически завершается. При температурах свыше 2000 С в продуктах термического разложения появляется ацетилен, ионы водорода, газообразный углерод и множество других компонентов. Однако на практике процесс термического разложения природного газа не лимитируется термодинамикой. Поэтому, необходимо рассматривать кинетику этого процесса. Исследования кинетики термического разложения метана известны еще с начала 40-х годов [22]. Одним из принятых механизмов для расчета кинетики термического разложения природного газа является механизм, предложенный Касселем [23]. Процесс протекает через ряд последовательных стадий: где К ),К2 %К3 ),К4( )- константы скоростей реакций химических реакций;
Практически во всех работах [22-25], посвященных исследованию механизма реакции измерялась константа скорости отдельных стадий. На основании проделанных исследований получены следующие зависимости констант скоростей реакций: Для определения условий проведения процесса термического разложения метана, рассматривалась математическая модель по принятому механизму реакции, которая включает в себя систему дифференциальных уравнений первого порядка: смеси, моль/моль; г- время протекания процесса термического разложения метана. Для численного интегрирования этой системы уравнений, выбираем метод Рунге-Кутта четвертого порядка, решение проводилось в математическом пакете MathCAD 11. Результаты показаны на рис. 2.6. Таким образом, долю термического разложения природного газа в зависимости от температуры термического разложения можно рассчитать по формуле: Здесь: тс„ - количество метана поступающего на термическое разложение, моль; mCHi(t,r)- количество метана, которое находится в процессе термического разложения, моль. Так как mrHt(t,r) является величиной, которая зависит от температуры и времени процесса термического разложения природного газа, то доля термического разложения природного газа будет также зависеть от этих величин, данная зависимость представлена на рис. 2.7. На основе полученных данных, будем считать достаточной для промышленного применения температуру термического разложения метана 1300С.
При температуре 1000С полное термическое разложение метана в адиабатических условиях происходит в течение 711 секунд, поэтому лимитировать процесс термического разложения в безкаталитических условиях не корректно. На основе расчета энергетического баланса процесса термического разложения природного газа, при известных значениях Dcm. определяется теоретический расход теплоты необходимого для полного термического разложения метана для получения 1 м3 водорода. При этом приведенные значения исходных веществ и продуктов реакции термического разложения составляет: удельный расход метана составит VCHt = 0,5 м3/м3(Н2); удельный выход водорода: VH = 1,0 м3/м (Н2); удельный выход углерода: тс =0,268 кг/ мъ{Н2); Энергетический баланс процесса термического разложения природного газа может быть представлен формулой: где На (0 - полная энтальпия метана, кДж/м3; Нн (/)- полная энтальпия водорода, кДж/м3 (Н2);
Разработка термодинамически идеальной модели производства водорода методом термического разложения природного газа с применением ЭХА
Для повышения надежности схемы производства водорода необходимо учитывать следующие моменты: Использование жидкометаллических расплавов в качестве промежуточного теплоносителя для термического разложения природного газа с высокой температурой может привести к окислению жидкометаллического расплава при его нагреве; Отходящие газы из нагревательной камеры при достаточно высокой температуре могут содержать жидкий унос расплава, что может привести к осложнению в работе камер ПТО и ПКГ. Высокотемпературное состояние камер ПКГ и ПТО, может в значительной степени затруднить работу всей схемы, а также привести к значительному удорожанию этих камер. Ликвидировать технологические недостатки схемы возможно при использовании вместо технологической регенерации теплоты отходящих газов регенеративное топливоиспользование отходящих газов нагревательной камеры.
Под регенеративным топливоиспользованием понимается преобразование высокотемпературных отходящих газов реактора во вторичное топливо посредством энергохимической аккумуляции этих газов (ЭХА), на базе с использования природного газа. ЭХА - плодотворная разработка кафедры энергетики высокотемпературной технологии МЭИ (ТУ) - выступает как новое эффективное энергосберегающее и экологическое мероприятие, на базе которого открываются возможности создания безотходных теплотехнологи-ческих установок [6, 67, 68].
Поэтому предлагается на базе схемы (см. рис. 3.1) создать схему производства водорода при использовании процесса ЭХА отходящих газов нагревательной камеры. При расчете этой схемы руководствоваться разработанной математической моделью процесса ЭХА. Одна из первых моделей расчета процесса ЭХА была предложена в [67], для отходящих газов металлургических реакторов. Руководствуясь работой [69], предлагается в модели расчета ЭХА предусмотреть возможность расчета газовой системы, включающую в себя одиннадцатикомпонентную газовую смесь. А также в данной математической модели предлагается учитывать возможность процессов грануляции и охлаждения твердых или жидких составляющих. На основании [69] было принято, что в состав отходящих газов высокотемпературного реактора может содержаться объемы следующих компонентов: V V"ll0,VWy%iV\r\lV o;V (miV ,KO;V\;V% , которые образова лись в результате процессов горения и диссоциации. Равновесный состав газовой системы продуктов ЭХА определяется на основе констант равновесия реакций:
Рассчитанные константы равновесия, на основе констант атомизации [47], в зависимости от температуры представлены на рис. 3.3. Для газовой смеси для 6 компонентов энергетический баланс может быть записан как на основании полных энтальпий, так и на основании тепло-емкостей газовых компонентов и низших теплот сгорания горючих компонентов
Элементы схемы комбинированного производства в условиях предприятия черной металлургии
При переходе от шихты кислородно-конвертерной плавки с составом 78% доменного чугуна, 22% лома (скрапа) к шихте 50% лома 50% чугуна предлагается оставить неизменным соотношение чугуна и лома непосредственно в кислородно-конвертерной плавке. Переход на перспективную долю лома возможен при получении синтетического чугуна (углеродистого металла) из металлического лома при использовании карбюризатора. В качестве карбюризатора используется графит, который получается из продуктов СВС при выделении водорода. Процесс получения синтетического чугуна.
Процесс получения нового синтетического чугуна из лома с использованием карбюризатора предлагается осуществлять в агрегате шахтного типа (рис. 4.3). А полученный чугун направлять в стационарный миксер перемешивания с доменным чугуном, общий вид стационарного миксера для работы с 350 т. конверторами показан рис. 4.4. Стационарные миксеры являются стандартными устройствами и используются в конвертерном производстве. Пребывание чугуна в таких миксерах достигает 8 часов, что позволят получать чугун с достаточным усреднением состава и температуры [87, 94].
Получение чугуна в шахтном агрегате включает в себя следующие стадии: 1) растворение углерода в жидком металле; 2) растворение твердого лома в чугуне.
Высокая степень смачивания углеродных материалов металлами железной группы обусловлена протеканием процесса растворения углерода в их расплавах под действием разности химических потенциалов углерода в твердой и жидкой фазах. Растворимость углерода в железе достигает 58%. Краевой угол смачивания достигает 50, что позволяет оценить время процесса науглероживания в течение 20 минут.
Известно, что в традиционной кислородно-конвертерной плавке удельные расходы чугуна и лома составляют 851,4 и 240,1 кг/т ст. соответственно. Перспективное соотношение чугуна и лома, на основании расчетов составляют по 539,5 кг/т ст. каждого составляющего. Поэтому дополнительный лом в количестве 299,4 кг/т ст. необходимо преобразовать в чугун, для этого лом необходимо науглеродить до 4,2%.
Материальный баланс производства чугуна для получения 1 т конвертерной стали приводиться в табл. 4.1. На основании полученного материального баланса производится расчет теплового баланса совокупного процесса получения передельного чугуна с температурой 1450 С с массовой долей углерода равной 4,2%.
При полном выделении углерода (при использовании рукавных фильтров, известных в сажевом производстве [26]) расход водорода составляет 48 м (Нг)/т ст., для полного охлаждения водорода необходимо, чтобы в шахту поступало лома - 92,5 кг/т ст. остальное количество лома подается в миксер в расплавленном состоянии при температуре 1620 С и из уноса конвертерных газов с температурой 1000 С. На основании вышесказанного производится расчет теплового баланса системы производства чугуна, результаты которого приводятся в табл. 4.2.
Для отопления миксера предлагается использовать сжигание газового топлива в погруженных кислородных горелках по схеме (рис. 4.3). В практической модели системы получения чугуна и водорода необходимо учитывать потери энергии в окружающую среду, которые могут покрываться за счет внешнего источника энергии. Расходы природного газа и окислителя, приведенные к 1 тонне конвертерной стали, в зависимости от доли тепловых потерь в ОС с учетом ПКГ, приведены в табл. 4.3.
Действующая модель производства кислородно-конвертерной стали достаточно полно исследована в магистерской диссертации О.А. Митина на основании известной литературы [96], выполненной в МЭИ (ТУ) на кафедре энергетики высокотемпературной технологии. Материальный и тепловой балансы этого производства представлены в табл. 4.4, 4.5.
