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

СОДЕРЖАНИЕСписок сокращений и условных обозначений4Введение6Глава 1. Влияние коксохимического производства на энерготехнологическую эффективность металлургического комбината151.1. Современное состояние коксохимического производства161.2. Показатели качества металлургического кокса251.3. Оценка потенциала энергосбережения в энерготехнологической системе сухого тушения кокса1.4. Постановка задачи3336Глава 2.

Анализ и оценка возможностей повышения качества кокса372.1. Повышение качества кокса за счет моделирования составашитхы на стадии подготовки угольной шихты и коксования372.2. Описание процесса и результатов экспериментальных исследований по возможности повышения качества кокса на стадиисухого тушения432.3. Диагностирование прочности кокса с применением методаядерно-магнитного резонанса472.4. Суть нового способа сухого тушения кокса50Выводы по главе 252Глава 3. Теоретическое обоснование нового способа сухого тушениякокса533.1. Кинетика разложения метана533.2. Анализ результатов численных исследований процесса охлаждения кокса573.3. Расчет расхода природного газа для повышения прочностикокса с использованием теории пористости коксаВыводы по главе 36167Глава 4.

Повышение энерготехнологической эффективности коксо-2химического производства на основе использования нового способатушения кокса684.1. Технологические решения по модернизации существующихУСТК с целью использования нового способа сухого тушениякокса694.2.

Тепловой и материальный баланс энерготехнологическойсистемы сухого тушения кокса до и после модернизации4.3. Обоснование выбора утилизационного оборудования72904.4. Оценка энерготехнологической эффективности и экономической целесообразности применения нового способа сухоготушения кокса94Выводы по главе 4103ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ104Библиографический список106ПРИЛОЖЕНИЯ1193Список сокращений и условных обозначенийВЭР – вторичные энергетические ресурсы;КБ – коксовая батарея;КУ – котел-утилизатор;КХП – коксохимическое производство;МК – металлургический комбинат;ПТУ – паротурбинная установка;СТК – сухое тушение кокса;ТУЭС – теплоутилизационная электростанция;ТЭБ – топливно-энергетический баланс;ТЭР – топливно-энергетические ресурсы;УМК – усредненный металлургический комбинат;УСТК – установка сухого тушения кокса;ЯМР – ядерно-магнитный резонанс;М10 – истираемость кокса;М25 – дробимость кокса;М25/40 – холодная прочность кокса;СAL – алкильный углерод;СAR – ароматический углерод;CRI – реакционная способность кокса;CSR – горячая прочность кокса;Pr – пористость кокса;св – теплоемкость воздуха, поступающего в результате подсоса воздухаи утечек циркулирующих газов;сг – средняя теплоемкость циркулирующих газов, теряемых в атмосферув результате подсосов воздуха и утечек циркулирующих газов;сгк , сгк.т – теплоемкость циркулирующих газов на входе в котел и на вхо-де в камеру тушения, соответственно;4с к1 , с к 2 – теплоемкость горячего и потушенного кокса, соответственно;G – часовая производительностью УСТК по коксу;t в – температура воздуха, поступающего в результате подсосов воздухаи утечек циркулирующих газов;t к1 , t к 2 – температура горячего и потушенного кокса, соответственно;t г – средняя температура газов;t гк , t гк.т – температура циркулирующих газов на входе в котел и на входев камеру тушения, соответственно;gСН4– количество природного газа, подаваемого в УСТК на каждуютонну кокса;g к – количество углерода, осажденного на коксе в результате реакциитермического разложения природного газа, подаваемого на 1 т кокса;продgН– количество выделившегося водорода при термическом разложе2нии природного газа, подаваемого на 1 т кокса;продg СН– количество неразложившегося метана, подаваемого на упрочне4ние 1 т кокса;Vц.г – объем циркулирующих в УСТК газов;Vп.у – объем воздуха для сжигания 1 кг кокса по реакции С+О2=СО2; к – степень угара кокса при тушении.5ВведениеЗадачи рационального использования энергетических и сырьевых ресурсов, а также сохранения природы приобретают все большее значение из-запрогрессирующего, в результате увеличивающегося промышленного потребления, сокращения сырьевых и топливно-энергетических запасов планеты ивозрастающего загрязнения окружающей среды промышленными отходами.Эти проблемы особенно остро стоят перед предприятиями черной металлургии, которые являются крупнейшими потребителями энергоресурсов,минерального сырья, воды и воздуха, а так же, одновременно, и крупнымиисточниками нарушения экологического равновесия в природе.Важнейшая задача при любом производстве – это повышение эффективности использования материальных и топливно-энергетических ресурсов(ТЭР).

При решении этой задачи часть прироста потребности в топливе,энергии, сырье и материалах может быть обеспечена за счет их экономии. Вусловиях рыночной экономики, когда промышленные предприятия и их объединения перешли на полный хозяйственный расчет и самофинансирование,эта задача приобретает особую остроту и актуальность.Черная металлургия является одним из крупнейших потребителей наиболее ценных видов топлива, потребляя более 10% топлива, добываемого встране и более 15% электроэнергии, расходуемой промышленностью [100].Доля затрат на топливо и энергию в общих затратах на производство продукции в этой отрасли составляет около одной трети. По этому показателю отрасль черной металлургии занимает одно из первых мест.Около 75% стали выплавляется на металлургическом комбинате (МК),являющимся предприятием полного цикла.

Наиболее крупными потребителями топлива в отрасли являются доменное и прокатное производство, а тепловой энергии – коксохимическое производство (КХП).6Производство кокса относится к высокотемпературным процессам и потребляет значительное количество тепловой энергии, расход которой составляет в среднем 3,0-3,5 ГДж/т кокса. В настоящее время в РФ производится 30млн т кокса в год, при этом затраты топливно-энергетических ресурсов составляют 3,5 млн т у.т. На долю коксохимического производства приходится35-40% суммарного потребления пара металлургическим комбинатом. В тоже время коксовые батареи – основной источник вторичных энергетическихресурсов (ВЭР), выход которых составляет около 60% от первичного энергопотребления.

В основном это тепловые ВЭР.Наибольшие потери тепла на данном переделе происходят при тушениикокса. В настоящее время на коксохимических предприятиях применяют дваспособа тушения кокса: мокрый и сухой. При мокром способе раскаленныйкокс орошается водой, для этого используют сточные воды коксохимического производства. Использование способа мокрого тушения кокса приводит кзначительным потерям тепла, загрязнению воздушного и водного бассейнов,при этом содержание некоторых вредных веществ в несколько раз превышает допустимую норму.

При сухом тушении кокс охлаждается в специальныхустановках циркулирующими газами, чаще всего инертными.В РФ по статистике лишь 30% кокса на коксохимическом производстветушится сухим способом, в результате этого физическая тепловая энергиягорячего кокса используется не более чем на 30%. Применение сухого тушения приводит к снижению потерь тепловых ВЭР горячего кокса, т.к. тепловаяэнергия, полученная циркулирующими газами, используется для выработкипара в котлах-утилизаторах (КУ).

Однако на российских МК этот пар фактически не используется для выработки электроэнергии на теплоутилизационных электростанциях в связи с низкими параметрами (4 МПа, 4400С). В РФтолько на ПАО «Северсталь» существует ТУЭС мощностью 16 МВт.Кроме этого, расход кокса в доменных печах, зависящий от его качества, во многом определяет структуру топливно-энергетического баланса всего металлургического комбината в связи с тем, что доменное производство7является наиболее крупным потребителем топлива в отрасли. Поэтому одной из основных задач КХП является получение качественного металлургического кокса. В первую очередь, это повышение горячей и холодной прочности кокса, которые влияют на эффективность доменного производства повыплавке чугуна.Степень разработанности этой проблемы на современном этапе развития КХП является не достаточной в связи с тем, что в настоящее время в установках сухого тушения кокса (УСТК) не полностью используются возможности повышения горячей прочности кокса.

В частности, при сухом тушении кокса не используются возможности повышения горячей прочностикокса (CSR) за счет изменения молекулярной структуры кокса.Значимость решения проблем увеличения прочности кокса при его сухом тушении и повышения параметров вырабатываемого в котлахутилизаторах КХП пара, и не достаточная разработанность многих их аспектов [29, 65] определили актуальность темы диссертационного исследования.Таким образом, целью данной работы является повышение энерготехнологической эффективности коксохимического производства за счет комплексного решения проблемы упрочнения кокса и максимально возможногоиспользования тепловых вторичных энергетических ресурсов горячего кокса при его сухом тушении.Для достижения поставленной цели решены следующие задачи: определение потенциала энергосбережения и направлений повышенияэнерготехнологической 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;8 разработка технологической схемы установки сухого тушения кокса,позволяющей снизить потери тепловой энергии горячего кокса и повыситьпрочность кокса; моделирование работы теплоутилизационного оборудования на коксохимическом производстве, выбор паровых турбин и определение режимових работы; оценка энерготехнологической эффективности и экономической целесообразности применения нового способа сухого тушения кокса в теплотехнологическом комплексе черной металлургии.Объектом исследования является энерготехнологическая система сухого тушения кокса, которая включает в себя установку сухого тушениякокса, котел-утилизатор и систему использования пара, вырабатываемого вкотле-утилизаторе.Предметом исследования в работе являются физико-химические процессы, происходящие в установке сухого тушения кокса и влияющие наэнерготехнологическую эффективность этой системы.Теоретической и методологической базой исследования являются: прочностные характеристики кокса и их зависимость от способа охлаждения кокса; результаты исследований процесса разложения природного газа ивзаимодействия продуктов его разложения с углеродом кокса; способы и устройства для подвода охлаждающего газа в УСТК; методика расчета теплового баланса УСТК; состав охлаждающего газа; варианты котлов-утилизаторов и утилизационных турбин для системы сухого тушения кокса.В первой главе диссертации приведен результат обзора литературы потеме диссертации, основной задачей которого являлся анализ современногосостояния КХП, энерготехнологической системы сухого тушения кокса, в9том числе и конструктивных особенностей УСТК, эксплуатирующихся наМК РФ.