Магистр ДонНТУ Агеева Юлия Игоревна

Тема магистрской работы:

«Исследование эффективности увеличения доли низкокалорийного доменного газа в тепловых агрегатах металлургических предприятий»

Научный руководитель: профессор кафедры "Техническая теплофизика" к.т.н. Курбатов Ю.Л.

Исследование эффективности увеличения доли низкокалорийного доменного газа в тепловых агрегатах металлургических предприятий

Современная экономика характеризуется высоким уровнем потребления энергии. Одним из наиболее энергоемких видов производства является черная металлургия.

Энергетическая составляющая в себестоимости производства чугуна составляет до 30%. В эту составляющую входят как энергетические ресурсы напрямую завязанные с процессом выплавки чугуна (электроэнергия, природный газ, вдуваемый в печь, доменный газ, сжигаемый в кауперах доменных печей), так и энергетические ресурсы, приходящие со стороны (доменное дутье и тепловая энергия пара, подаваемого под колошник печи). Один из путей уменьшения себестоимости энергоресурсов, приходящих со стороны, использование вторичных энергоресурсов металлургического производства. Вторичным ресурсом металлургического (доменного) производства является доменный газ. Доменный газ в своем составе имеет горючие составляющие в виде СО 30%, Н2 8%, % других горючих газов. Состав и теплотворная способность доменного газа зависит от используемого на производстве сырья, сорта кокса, режима выплавки чугуна и других факторов.

Если проанализировать баланс получения и использования доменного газа на предприятии, то будет видно, что на предприятии есть резервы низкокалорийного топлива – доменного газа в виде ненормируемых потерь на свечу. Эти потери можно использовать в производственном цикле предприятия, для получения тепловой энергии. Одним из основных потребителей доменного газа на предприятии является ТЭЦ. На ТЭЦ доменный газ сжигается в котлоагрегатах совместно с другими топливными газами с целью получения перегретого пара.

Полученный пар используется на турбовоздуходувных агрегатах для получения дутья для доменных печей и как пар для технологических нужд цехов завода, в первую очередь доменного цеха. Котлы , установленные на ТЭЦ, представляют собой агрегаты среднего давления с классической П-образной компоновкой. Производительность котлоагрегатов составляет 150т/ч. Котлы предназначены для сжигания трех видов газообразного топлива – природного, коксового и доменного газа.

Для утилизации избытков доменного газа получаемого в доменном цехе и снижения себестоимости чугуна за счет уменьшения энергетических затрат на котлоагрегат ТЭЦ были выполнены капитальные ремонты с реконструкцией. В ходе реконструкции были демонтированы горелки для раздельного сжигания различных видов топлива и установлены комбинированные плоскофакельные, была изменена форма низа топки – вместо холодной воронки установлен горизонтальный под с экраном. Переделки подвергались экраны, воздухопроводы к горелкам и газопроводы. Проведенные работы позволили увеличить тепловую долю использования доменного газа на 35,5%.

Основной инновационной идеей реконструкции котлоагрегатов для утилизации избытков доменного газа является установка комбинированных плоскофакельных горелок.

Известен способ сжигания топлива, который включает подачу газообразного топлива и окислителя, образование топливнокислородного потока, его смещение относительно продольной оси потока и кручение вокруг нее, при этом в корне факела поток разделяют на внутренний и внешние слои, которые закручивают в противоположных направлениях. Использование этого способа характеризуется высоким химическим недожогом топлива и большим расходом воздуха, обусловленными незначительно длиной пути горения топлива, поскольку факел в рабочем пространстве топки распространяется линейно.

Также известен способ сжигания топлива в виде смеси газов в топке парового котла, включающий подачу в топку парового котла с противоположных ее сторон двумя встречными потоками высококалорийных газов, подачу в топку парового котла двумя параллельными потоками низкокалорийных газов, расположенными перпендикулярно к потокам высококалорийных газов, и подачу потока с соответствующим уменьшением расхода воздуха в потоках топливовоздушной смеси. Сжигание смеси газов таким способом приводит к уменьшению размера факела, появлению зон с пониженной температурой по сечению топки, ухудшению сгорания топлива с увеличением доли химического недожога. При этом увеличивается коэффициент расхода воздуха для обеспечения необходимой полноты сжигания топлива.

В плоскофакельных горелках реализуется способ сжигания смеси газов, включающий подачу в топку парового котла двумя потоками низкокалорийных газов с противоположных ее сторон и двумя потоками - высококалорийных газов, а также подачу воздуха в топку парового котла. Высококалорийные газы подаются нижними потоками, которые направляются вверх под углом 30 – 35 0 к поперечной оси топки, а низкокалорийные газы подаются с противоположных сторон топки верхними потоками, которые направляют вниз под углом 30 – 35 0 к поперечной оси топки, при этом воздух подают совместно с потоками газов. При этом потоки газов и воздуха закручиваются в различных направлениях, а их смешение происходит на выходе из сопел горелочного устройства.

При соударении газовоздушных потоков, направленных под углом друг к другу образуется плоская струя, имеющая высокую степень турбулентности и большую поверхность, что позволяет обеспечить интенсивное сгорание топлива по всему объему топки. При этом также путем изменения расходов газа и воздуха через нижние и верхние потоки можно регулировать положение факела по высоте топки. Так при необходимости понизить положение факела в топке увеличивается подача воздуха через верхние потоки и одновременно уменьшается подача воздуха через нижнее. При этом зона ядра факела снижается и происходит перераспределение температурных полей по сечению топки.

Реализация предложенного способа обеспечивает уменьшение потерь тепла с химическим недожогом за счет улучшения перемешивания газов с воздухом, увеличения длины горения газов, увеличение степени заполнения топки факелом, уменьшение коэффициента расхода воздуха, что в конечном итоге дает возможность увеличить КПД котла. При работе котла с реализованной полезной моделью КПД котла увеличился с 78 до 86%.

При прочих равных условиях (производительность котлоагрегата, расход питательной воды, продувка) себестоимость тепловой энергии до реконструкции составляла 280,54 грн/Гкал. После реконструкции себестоимость стала равна 148,50 грн/Гкал. Разность составляет 132,04 грн/Гкал. Годовой экономический эффект капитального ремонта с реконструкцией горелочных устройств при годовой наработке котлоагрегата 7900 часов составляет 10587,6 тыс.грн. Стоимость капитального ремонта с реконструкцией горелочных устройств составляет 18746 тыс.грн. Таким образом, срок окупаемости капитального ремонта составляет 1,8 года.

Литература

Семикин И.Д., Аверин С.И., Радченко И.И. Топливо и топливное хозяйство металлургических заводов. – М.: Металлургия, 1965. – 528с.
Равич М.Б. Топливо и эффективногсть его использования. – М.: Наука, 1971. – 358с
Тройб С.Г. Расчет температуры горения. – Свердловск, изд.УПИ им.С.М.Кирова, 1960. – 36 с.: ил.
Безгрешнов А.Н. Расчет паровых котлов в примерах и задачах: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1991. – 240с.: ил.
Кашников С.П. Расчет котельных агрегатов в примерах и задачах. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1951. – 239с.
Логинов Б.И. Эксплуатационные испытания котлоагрегатов. – М.; Л.: Госэнергоиздат, 1952. – 100с.
Иванов Ю.В. Основы расчета и проектирования газовых горелок. – М.: Гостоптехиздат, 1963. – 360с.
Равич М.Б. Эффективность использования топлива. – ВИНИТИ., М.: Наука, 1977. – 344с.: ил.
Сушкин И.Н. Металлургическое топливо. – Справочник, М.: Металлургия, 1965.
Друскин Л.И. Сжигание газа в промышленных печах и котлах. – М.: Гостоптехиздат, 1962. – 264 с.: ил.
Мезенцев А.П. Основы расчета мероприятий по экономии тепловой энергии и топлива. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1984. – 116с.: ил.