Автореферат (Повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства на основе использования природного газа в установках сухого тушения кокса)

2ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность работы. Задачи рационального использования энергетических и сырьевых ресурсов, а также снижения вредных выбросов приобретаютвсе большее значение из-за прогрессирующего сокращения сырьевых и топливно-энергетических запасов планеты. Эти проблемы особенно остро стоятперед предприятиями черной металлургии, которые потребляют более 10% топлива, добываемого в стране, и являются крупными источниками вредных выбросов.

Наиболее крупным потребителем тепловой энергии в отрасли являетсякоксохимическое 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 тоже время коксовые батареи – основной источник вторичных энергетических ресурсов (ВЭР). Выход ВЭР составляет около 60% от первичного энергопотребления. Наибольшие потери ВЭР происходят при тушении кокса. Применениеспособа мокрого тушения кокса приводит к значительным потерям тепловойэнергии, загрязнению воздушного и водного бассейнов. При сухом тушениикокса (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 прочностикокса 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 сухомтушении и повышения параметров вырабатываемого в КУ КХП пара определили актуальность темы диссертационного исследования.Целью настоящей работы является повышение энерготехнологическойэффективности коксохимического производства за счет комплексного решенияпроблемы 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 повышенияэнерготехнологической эффективности коксохимического производства; расчет экономии топливно-энергетических ресурсов в доменном производствев результате повышения прочности кокса; разработка и обоснование нового способа сухого тушения кокса сиспользованием природного газа; определение расхода природного газа, подаваемого в форкамеру установкисухого тушения кокса с целью упрочнения кокса; разработка технологической схемы установки сухого тушения кокса,позволяющей снизить потери тепловой энергии горячего кокса и повыситьпрочность кокса;3 моделирование работы теплоутилизационного оборудования на коксохимическом производстве, выбор паровых турбин и определение режимов их работы; оценкаэнерготехнологическойэффективностииэкономическойцелесообразности применения нового способа сухого тушения кокса втеплотехнологическом 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. Теоретическойи методологической базой исследования являются: зависимость прочностныххарактеристик кокса от способа его охлаждения; результаты исследований процесса разложения природного газа и взаимодействия продуктов его разложенияс 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, позволяющаяснизить расход кокса в доменной печи. Разработан новый способ сухого тушения и упрочнения кокса с использованием природного газа, позволяющий снизить расход топливно-энергетическихресурсов 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 энерготехнологической 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 приведетк 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.1.

Результаты натурного эксперимента по повышению прочности кокса.2. Новый способ сухого тушения и упрочнения кокса.3. Методика расчета процесса разложения природного газа при сухом тушении кокса с определением возросшего выхода кокса и водорода и результатычисленных расчетов по этой методике.4. Рекомендации по повышению энерготехнологической эффективностикоксохимического производства.4Достоверность. Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных энерготехнологических обследованиях МКполного цикла ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» и ПАО «Северсталь», экспериментальныхи численных исследованияхЛичный вклад автора.

Основные результаты получены лично авторомпод 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 – 2016гг.) и 12 Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и специалистов «Энергетики и металлурги настоящему и будущемуРоссии» (Магнитогорск, 2011 г.).Публикации. Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения результаты, представлены в 12 публикациях, 2 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень изданий ВАК РФ, 3 – в журналах по перечню рецензируемых изданий SCOPUS иWeb of Science,Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырехглав, заключения, списка литературы из 122 наименований и 3 приложений.Общий объем работы составляет 126 страниц.ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫВо введении обосновывается актуальность темы диссертации, приведенынедостатки УСТК КХП РФ, сформулирована цель и задачи исследования, указана научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика работы и указаны публикации по теме диссертации.В первой главе приведен результат обзора литературы по теме диссертации, основной задачей которого являлся анализ современного состояния энерготехнологической системы сухого тушения кокса коксохимического производства, конструктивных особенностей УСТК, эксплуатирующихся на МК РФ.По основным энерготехнологическим показателям проведено сравнение эффективности работы российских УСТК с современными зарубежными установками, в частности, с КХП Японии и Германии, что позволило определитьследующие основные недостатки УСТК КХП РФ: низкие параметры пара, получаемого при утилизации теплоты раскаленного кокса (давление 4 МПа, температура до 4400С); небольшие размеры камеры охлаждения кокса, что позволяет загружать лишь 50-60 т кокса; неэффективное использование пара УСТК.В диссертационной работе были проанализированы прочностные характеристики кокса, применяемые для определения качества кокса, и дана оценка ихвлияния на эффективность работы доменного производства.Проведенный анализ литературных источников показал, что в настоящеевремя в УСТК не полностью используются возможности повышения горячейпрочности кокса.