Lektsia_Vtorichnye_energoresursy_promyshlennykh_predpriatiy

Литература:
Сазанов Б.В. Промышленные теплоэнергетические установки и системы: учеб. пособие для вузов / Б.В. Сазанов, В.И. Ситас. — М.: Издательский дом МЭИ, 2014. — 275 с.: ил.
Сазонов Б.В., Ситас В.И. Теплоэнергетические системы промышленных предприятий: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1990 – 304 с.
Энергосбережение в энергетике и теплотехнологиях: конспект лекций / В.А. Мунц. Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ-УПИ, 2006. 136 с.

Состав металлургического комбината с полным циклом

Некоторые обозначения:
ЭР – энергоресурсы
ВЭР – вторичные (внутренние) энергоресурсы
ПП – промышленное предприятие
ТА – технологический агрегат
ЭУ– энергетическая установка
УУ – утилизационная установка
КУ – котел-утилизатор
КОГ (ОКГ) – котел-охладитель конверторных газов
СИО – система испарительного охлаждения
ГУБТ – газовая утилизационная компрессорная турбина
УСТК – установка сухого тушения кокса

Теплоэнергетические системы
современных промышленных предприятий (ТЭС ПП) энергоемких отраслей промышленности - сложные комплексы тесно взаимосвязанных по потокам различных энергоресурсов как заводских энергоустановок, так и технологических агрегатов, которые потребляют одни виды (обычно несколько) и одновременно генерируют другие виды ЭР, которые не могут быть полностью потреблены в данном производстве, но могут быть использованы для обеспечения работы других технологических и энергетических агрегатов.

К энергоресурсам, охватываемым ТЭС ПП, относятся все их виды, имеющиеся на предприятиях, в том числе:
водяной пар различных параметров от разных источников и горячая вода;
горючие газы — доменный, коксовый, конвертерный, нефте­перерабатывающих агрегатов, ферросплавных электропечей и др.;
физическая теплота отходящих газов различных технологических агрегатов, а также остывающей продукции;
теплота охлаждения конструктивных элементов технологических агрегатов;
теплота расплавленных шлаков;
горючие нетранспортабельные отходы производства;
избыточное давление различных газов и жидкостей;
сжатый воздух для технологических процессов и производственных нужд;
кислород технический (содержание О2 (содержание О2 99,5%) и технологический (О2 95%), газообразный и жидкий.

Энергетические агрегаты и установки:
Теплоэлектроцентали (ТЭЦ)
Паровоздуходувные станции (ПВС)
Электровоздуходувные станции (ЭВС)
Воздухоразделительные установки (ВРУ) Котлы-утилизаторы (КУ)
Утилизационные установки (УУ)
котлы, турбины, компрессоры, насосы, вентиляторы, дымососы и др.

Технологические агрегаты и установки
Агломерационные машины
Коксовые батареи (КБ)
Доменные печи (ДП)
Нагревательные печи
Сталеплавильные конвертеры
Машины непрерывного литья заготовок (МНЛЗ)
Прокатные станы и др.

Схема потоков основных энергоресурсов на МК

1 тонна условного топлива (1 т.у.т)
= 1000 кг условного топлива
обладает теплотой сгорания 29,3 ГДж
= 29310 МДж (Qу = 29,31 МДж/кг)
Ву = В⋅Qн/29,3
1000 м3 природного газа ≅ 1,2 т.у.т

Технологические агрегаты и производства потребляют топливо, теплоту, электроэнергию, кислород и другие энергоресурсы (ЭР).
В ходе технологических процессов и работы агрегатов образуются другие виды ЭР в виде:
горючих продуктов (газообразных, жидких, твердых);
различных носителей физической теплоты;
газов и жидкостей с избыточным давлением

Топливно-энергетический баланс промышленного предприятия
составляется из двух групп энергоресурсов:
подводимых со стороны в виде так называемого привозного топлива, электроэнергии, теплоты от внешних источников
2) образующихся на самих предприятиях в результате технологических и производственных процессов.

Топливно-энергетический баланс металлургического комбината

Обозначения на схеме
1 – энергетические установки
2 – энергетическое топливо
3 – коксохимическое производство
4 – доменное производство
5 – сталеплавильное производство
6 – прокатное производство
7 – вспомогательные производства

Энергоресурсы, вырабатываемые заводскими энергоустановками (ТЭЦ, котельными и др.),
на привозном топливе относятся к первой группе.
Энергоресурсы второй группы (образующиеся на самих предприятиях) разделяют обычно на три вида:
Горючие
Тепловые (в виде физической теплоты)
Избыточное давление

Часть энергоресурсов, образующихся в технологических агрегатах, принято называть вторичными энергоресурсами (ВЭР) в отличие от первичных, поступающих со стороны.
Часто трудно однозначно установить, какой энергоресурс является вторичным для энергосистемы завода в целом.
Поэтому иногда применяют термин внутренние энергоресурсы (ВЭР).

К горючим энергоресурсам относятся:
горючие газы от различных технологических агрегатов (ТА), доменных, коксовых и ферросплавных печей, сталеплавильных конвертеров, продуваемых кислородом, различных ТА нефтеперерабатывающих и нефтехимических заводов, абгаз при производстве синтетического каучука, смолы коксохимических и других производств и т. п.
К горючим энергоресурсам относятся также отходы горючего сырья, которые по тем или иным причинам не используются для технологической переработки (щепа, опилки, коксовая мелочь и т. п.).

К тепловым энергоресурсам относят:
физическую теплоту различных газов, выходящих из технологических агрегатов; раскаленного кокса;
огненно-жидких шлаков;
горячего агломерата;
основных продуктов, выдаваемых технологическими агрегатами при высоких температурах;
теплоносителей, охлаждающих конструктивные элементы ТА;
отработавшего пара и т. п.

К третьему виду энергоресурсов относят:
избыточное давление (относительно атмосферного или необходимого потребителю) различных газов или жидкостей, которые образуются в некоторых производствах.
Например: избыточное давление доменного газа, давление природного газа после ГРС, давление сбрасываемых газов установок, производящих слабую азотную кислоту, и др.

Использование избыточного давления природного газа

В понятие «вторичные энергоресурсы» (ВЭР) включаются все без исключения виды энергоресурсов, которые образуются на предприятиях и не используются по тем или иным причинам в генерирующих их технологических агрегатах, включая отходы горючего сырья, которые не используются в данном агрегате или в качестве сырья для других агрегатов как на данном предприятии, так и на других.

При этом, если за технологическим агрегатом стоит утилизационная установка (УУ), то ВЭР считается выдаваемый ею энергоресурс.
Например, если за нагревательной печью стоит котел-утилизатор, то ВЭР считается вырабатываемый им пар.

Схема установки котла-утилизатора
1 — технологический агрегат; 2 — воздухонагреватель; 3 — котел-утилизатор; 4 — дымосос и вентилятор; 5 — запорный орган

Одной из характерных особенностей ВЭР как на металлургических, так и других заводах является неравномерный, а нередко и периодический график их выхода вследствие особенностей технологических процессов и режимов работы технологических агрегатов, которые, в свою очередь, определяются целым рядом независимых факторов.

Проектный график работы сталеплавильных конверторов

На металлургических заводах с полным циклом выработка пара за счет тепловых ВЭР при хорошем их использовании почти покрывает летнюю потребность всего завода в производственном паре.
На некоторых металлургических заводах летом наблюдаются значительные избытки пара, получаемого за счет ВЭР, хотя потребность в производственном паре на них составляет 500—1000 т/ч.

Величина и характер общего энергетического потенциала ВЭР определяются следующим выражением:
ЭВЭР = Эх + Эд + Эк + Эт
Эх - химическая энергия горючих компонентов ВЭР (суммарная теплота сгорания этих компонентов;
Эд - физическая энергия, определяемая превышением давления компонентов ВЭР над давлением среды;
Эк - кинетическая энергия, определяемая скоростью движения компонентов ВЭР;
Эт - физическая энергия, определяемая превышением температуры компонентов ВЭР над температурой окружающей среды

Большинство ВЭР имеют несколько составляющих энергетического потенциала:
Примеры:
доменный газ содержит горючий оксид углерода СО и другие горючие газы, имеет теплоту сгорания 3500-5000 кДж/м3, давление 0,13-3,5 МПа и температуру на выходе из печи 150-350° С;
газы на выходе из конвертера имеют температуру 1500—1600° С и теплоту сгорания после газоочистки 6700—8500 кДж/м3.

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ НЕКОТОРЫХ ПРОИЗВОДСТВ

ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ КОКСОХИМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА

Схема устройства печи для выжига кокса
1 - топливо;
2, 3 - устройства для загрузки угля и отвода коксового газа;
4 - простенки из огнеупорного кирпича;
5 - уголь в камере коксования;
6 - камеры сгорания;
7- регенеративные подогреватели компонентов горения;
8 - уходящие газы 300-400° С;
9 — воздух, топливо.

Общий вид коксовой батареи

Современные коксовые батареи содержат до 60 печей и более, их производительность до 1 млн. т кокса в год.
Крупная доменная печь объемом 5000 м3 потребляет в год около 2 млн. т кокса (размер кусков около 25 мм).

Теплота сгорания сухого кокса 32,5 – 33,5 МДж/кг
Теплота сгорания коксового газа 17,2 - 18 МДж/м3
(для сравнения у природного газа – 32-36 МДж/м3)
(объем газа приведен к нормальным условиям
- температуре 0°С и давлению 101,3 кПа).
Номинальная теплота сгорания коксового газа принимается равной 16,8 МДж/м3.

Химический состав коксового газа по объему, %:
Н2 .................... 55 - 60
СН4 .................... 22 - 27
СО .................... 5 - 8
N2 .................... 5 - 11
СО2 .................... 2 - 4
CnHm .................... 1,5 - 3,0
О2 ................... 0,5 - 0,8

Доля коксового газа по теплоте составляет в среднем 25 - 28% от теплоты сгорания кокса, или 18 - 22% от теплоты сгорания угля, пошедшего на коксование.

Удельный расход угля составляет в среднем 1,3 т/т кокса.
Удельный расход условного топлива на выжиг кокса в современных печах равен 0,085—0,10 т/т.
Распределяется теплота топлива следующим образом, %:
Физическая теплота коксового газа (при температуре
на выходе из печи в среднем 700 °С) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30—35
То же горячего кокса (при температуре 1000—1050 °С) . . . . 40—45
То же уходящих газов (при температуре 300—400 °С) . . . . . 10—15
Потери в окружающую среду. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .9—12

1 - коксовый эксгаустер
2 - приводная турбина с противодавлением
3 - приводной электродвигатель
4 - загрузочное устройство УСТК
5 - котел-утилизатор УСТК
6 - барабан-сепаратор
7 - циркуляционный насос КУ
8 - дымосос УСТК
Упрощенная схема коксохимического производства

Химическая часть современного КХП
представляет собой сложный комплекс, в котором из содержащихся в неочищенном коксовом газе продуктов вырабатываются в больших количествах сульфат-аммоний (удобрение), бензол и ряд других ценных продуктов.

Длительность «оборота» печей - коксование, выгрузка кокса, загрузка угля — составляет около 15 ч. После окончания коксования спекшаяся масса (коксовый пирог) со средней температурой 1000-1050°С толкателем выталкивается из камеры в вагон специальной конструкции и доставляется в установки мокрого или сухого тушения кокса.

Бункерная установка сухого тушения кокса
1 – тушильная камера
2 – скиповый подъемник
3 – инертные газы
4 - котел-утилизатор
5 - вентилятор

Инертные газы, выходящие из бункера с температурой 750-800 °С, направляются в котел-утилизатор, где они охлаждаются до 180-200 °С и затем нагнетателем подаются снова в бункер.
Температура греющих газов (750-800 °С) позволяет вырабатывать пар давлением до 3,5-4,0 МПа с температурой перегрева 400-450 °С.

Удельный выход пара составляет 0,4-0,45 т в расчете на 1 тонну охлажденного (потушенного) кокса.
Установки сухого тушения кокса состоят из нескольких блоков.
Производительность блока по коксу равна 50-55 т/ч, по пару - около 25 т/ч.

В зарубежных УСТК нового поколения достигаются параметры пара те же, что и у энергетических котлов: давление 10,0-12,0 МПа и температура 500-550 °С.
Это позволяет увеличить единичную мощность агрегатов теплоутилизационной электростанции (ТУЭС) до 30-40 МВт, а ее суммарную мощность - до 100-120 МВт.

Ранее и еще теперь кокс охлаждался водой в специальных тушильных башнях.
Удельный расход воды на тушение кокса составляет 4-5 м3/т.

При мокром тушении кокса не только теряются большие количества теплоты, но и образуются большие количества воды, содержащей соединения серы, фенолов и т. д.
При оборотном использовании воды с паром, образующимся в башне, в атмосферу выбрасывается большое количество токсичных и вредных веществ, превышающих ПДК.

Башня мокрого тушения кокса

На обогрев коксовых батарей может быть использовано только 40 - 45% получаемого коксового газа (при обогреве батарей только этим газом).

Коксовый газ является высокосортным топливом с высокой реакционной способностью
В коксовом газе нуждаются и другие потребители, у которых он может дать большой энергетический и экономический эффект.
Коксовый газ является также ценным химическим сырьем.

Коксовые батареи могут работать на доменном газе, который из-за низкой теплоты сгорания непригоден в чистом виде для многих потребителей.
Однако на доменном газе коксовые батареи получаются более сложными (требуется регенеративный подогрев не только воздуха горения, но и доменного газа) и дорогими.

Зато можно улучшить показатели других технологических агрегатов завода, которые смогут работать на коксовом или смеси коксового и доменного газов.
При этом возможно снижение потребности завода в природном газе путем частичной замены его коксовым.
Эти преимущества могут с лихвой перекрыть удорожание и усложнение коксовых батарей при переводе их на доменный газ.

Режимы работы агрегатов КХП:
Процесс коксования является периодическим и длится около 15 ч, причем по периодам коксования (начало, конец) выход и состав коксового газа изменяются.
2) Число батарей не менее 6-8 и доходит до 14 (разных размеров) при числе печей в каждой из них до 60 и более.
3) Загрузка и выгрузка печей проводятся последовательно, поэтому суммарный выход коксового газа от всех батарей при нормальной их работе получается практически ровным.

4) Механизмы коксового производства нуждаются в ремонтах, которые сказываются на выходах газа из печей.
5) Иногда останавливают на 12 - 24 ч целые батареи.
6) Ремонты (капитальные, профилактические, внеплановые и прочие) требуются и на УСТК, при этом выработка пара на УСТК прекращается.
Остановки батарей и УСТК оказывают серьезное влияние на балансы энергоресурсов на заводе в соответствующие периоды времени.