ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ, ИНТЕГРАЦИОННЫЙ ПОДХОД
Авторы: Umesh Kuma, A. K. Prasadbr, Sourabh Kumar Soni
Автор перевода: Дмитриенко Д. Г.
Источник: International journal of engineering sciences research technology [Ссылка]
Аннотация
На основе принципов интеграции тепла в настоящей работе исследуются конструктивные и эксплуатационные изменения, которые могут привести к эффективной интеграции энергии в электродуговой печи, эксплуатируемой в процессе прямого восстановления. Этот процесс-один из самых старых и наиболее широко применяемых процессов среди коммерческих используемых процессов в Индии. С целью энергетической интеграции данные о потоке извлекаются из фактического технологического листа установки, который состоит из температуры подачи и заданной температуры, расхода и удельной теплоемкости всех технологических потоков. В настоящей работе для утилизации тепла отходящих газов предлагается использовать предварительный подогрев входных потоков. На основе явного тепла требования для подогрева воздуха и подачи материала. Тепло теряется через стены печи, осуществляется нагрев лома, железо прямого восстановления и подачи материала, и тепла, которое необходимое для испарения влаги из сырья, потребление энергии вычисляется [11]. Для модифицированного процесса интеграции тепла представлены анализы работоспособности, которые включают потребление угля, потребность в воде и потребление энергии. Еще одним преимуществом этой системы является то, что она дает более простой модифицированный метод по сравнению с другими сценариями и, таким образом, делает процесс и его контроль легким. Это минимизирует отходы газов в атмосферу, что делает процесс экологически чистом.
Введение
Электродуговая печь (ЭДП) - это печь, которая нагревает загруженный материал с помощью электрической дуги. Электродуговая печь нагревается до 1600 градусов C электричеством, вырабатываемым через электроды [7]. Как правило,существует два типа печи (а) непрямая дуговая печь - в непрямой дуговой печи дуга ударяется между двумя угольными электродами, и тепло передается в шихту излучением. Косвенные дуговые печи имеют достаточно небольшой мощности и не могут развивать температуру выплавки стали, (б) дуговая печь прямого действия - ток прямой дуговой печи течет от электрода к шихте, а тепло, передаваемое от дуги к шихте, главным образом, излучением, но тепло также генерируется в самой шихте [6]. Около 438 млн. т/год жидкой стали (31% от общего объема в мире) производятся с помощью электродуговой печи. В Турции, приблизительно 70% из полной стали произведены в ЭДП. Это свидетельствует о том, что методом ЭДП производится около 20 млн. тонн стали [8]. В основных печах для получения шлака, для рафинирования металла, используются шлаки, такие как известняк, плавиковый шпат, песок и кварцит [13]. Основная концепция прямого восстановления железа приближается к 3000 лет существования, но первый коммерческий завод начал функционировать в 1952 году в Швеции. В Индии новаторскую работу выполнили Национальная металлургическая Лаборатория Джамшедпур и Tata steel Ltd Джамшедпур. Первый завод коммерчески с демонстрации был установлен использующ угл-основанную технологию во время 1980. В 1989 году ESSAR steel начала производство губчатого железа по газовой технологии [12].
Материалы и методы
На рис. 1 показано что в потоке входа и выхода материалов. Во входном потоке основными компонентами являются стальные обрезки, Кокс, природный газ и электрод. В выходных потоках сталь, шлак, пыль и отходящие газы.
На рис. 2 показаны входные и выходные потоки материалов. На поставку электрической энергии приходится 65% от общего объема энергии, которую также обеспечивают другие материалы. В выходных потоках сталь (57%), шлак (10%) и отходящие газы (21%). Наша цель-утилизация отходящих газов.
![Рис 1](images/10_1.png)
Рис 1
Результаты и обсуждение
Анализ баланса массы был проведен для ЭДП грузоподъемностью 70 тонн. Количество материалов поданных в ДСП. После определения количества каждой згрузки материала собирают химический состав всех материалов, измеренный на заводе или взятый из соответствующей литературы [7].
![Рис 2](images/10_2.png)
В внизу таблице количество входа и выхода материала в дуговую электропечь (ДСП) было обсужено. Как мы видим, выход жидкой стали 68125 кг, что составляет 77,3% от общего впускной металл. Шлак и отходящие газы тепла составляют 21,6% от общего объема металла. Эта диаграмма очень полезна для расчета эффективности процесса [8].
Таблица: 1 Массовый баланс полученный после деятельности
![Таблица: 1 Массовый баланс полученный после деятельности](images/10_3.png)
Энергетические (тепловые) балансы дают общее представление об электродуговой печи как об энергоблоке. Эти остатки выводятся из закона сохранения энергии, согласно которому общий объем энергии должен быть равен выходной энергии.
![Рис 3](images/10_4.png)
Это формула баланса энергии. Мы вынуждены потреблять электроэнергию 240 кВт ч/т, что составляет 48,84% от общего объема металла [8].
Таблица: 2 Тепловой баланс электродуговой печи 70 тонн
![Тепловой баланс электродуговой печи 70 тонн](images/10_5.png)
Для того чтобы сделать баланс массы и энергии, во первых все материалы которые входя в систему, высчитаны на компонентном основании. Необходая информация о чугуне и производства стали. Во-вторых, элементарно сравнивались массовые значения жидкой стали, выходящей из печи с учетом ее легирующих элементов, с входными материалами. Это сравнение позволяет определить массовые значения веществ, вступающих в химические реакции. Таким образом, были найдены соединения, образующие шлак, дымовые газы и пыль. Эти соединения соответствовали измерениям, проведенным на заводе. В связи с тем, что компания не располагает данными о соотношении материалов, присутствующих в пыли и шлаке, необходимая информация получена из аналогичного исследования. Сталеплавильное производство электродуговых печей приобретает все большую роль в производстве стали с использованием большего количества заменителей лома и лома различного уровня качества. Таким образом, цель заключается в улучшении экономических и технических характеристик печей, несмотря на трудности и ограничения, связанные с использованием этого нового типа шихты. Необходимо улучшать, получая,и модернезировать оборудование печи, некоторые основные требования необходимо соблюдать:
- Использования энергии с максимальным коэфициентом полезного действия (КПД) (электрической и внутренней), при высокой температуре окружающей среды;
- Использование электроэнергии и углерода в печи, должно быть оптимизировано;
- Время отключения дуги из-за холодной загрузки, должно быть как можно короче;
- Процесс производства стали должен быть безопасным и экологически чистым.
Вывод
На основе результатов, полученных от разработки энергосбережения для интеграции тепла в электродуговой печи, возможности его реализации, а также сравнение модифицированной системы с существующим процессом на основе энергопотребления. Основные выводы перечислены ниже:
Метод внедрения можно эффектно приложить к дуговой электропечи для того чтобы выполнить сбережение энергии который может привести к рациональному использованию энергии.
- Образующийся в результате этой работы отходящий газ на 14,2% меньше по сравнению с другой электродуговой печью.
- Среднее количество энергии, которое может быть сэкономлено в настоящем исследовании в пересчете на кокс, составляет 72,4 кВтч/тонну.
Огромное количество энергии расточительствованной в индустрии дуговой электропечи, которая может быть повторно использована применением правильной схемы. Подогрев материалов входа одна из возможных схем которую возможно применить, для того чтобы уменьшить энергопотребление и увеличить производительность. В этой схеме, энергия газообразного отхода возвращена к нейтральному газу через теплообменный аппарат, и после этого, горячий газ используется для того чтобы подогреть материалы входа. Моделирование процесса предварительного нагрева с помощью этого метода, даёт возможность сэкономить электроэнергию до 14,2% и увеличить производительность печи до 13%. Хороший потенциал к дальнейшему увеличению в сбережениях, путем увеличение температуры газа входа. При этом подогрев исходного материала осуществляется с использованием отходящих газов. В модифицированной системе электродуговой печи общее потребление энергии составляет 419,4 кВт * ч/т вместо 491,8 кВт * ч/т, что на 14,2% меньше, чем у другой электродуговой печи.
Список использованной литературы
- UnalCamdali, Murat Tunc, FeridunDikec,”A thermodynamic analysis of a steel production step carried out in the ladle furnace”,Applied Thermal Engineering 21 (2001) pg-643-655(Elsevier).
- W. Burgmann, W. Lur'e, and G.-L.Rot"charging technology for modern Electric Arc Furnace”, Metallurgist, Vol. 43, Nos. 3-4, 1999.
- I. Ekmekci,Y. Yetisken, and U. Camdali, “Mass balance modeling for Electric Arc Furnace and ladle furnace system in steelmaking facility in Turkey,” Iron Steel Res., Int., 14, No. 5,(2007)Pg 1–6, 55.
- L. Hocine et al. ,“ Improvement of electrical arc furnace operation with an appropriate model,” Energy, 34, (2009)1207–1214.
- U. Camdali and M. Tunc, “Computer-aided mass balance analysis for AC electric arc Furnace steelmaking,” J. Iron Steel Res. Int., 12, No. 3,(2005) 11–13 .
- Yuri N. ToulouevskiIlyaz Y. Zinurov, “Innovation in Electric Arc Furnaces”, springer press(2010).
- M. Tunc,1 U. Camdali,2 and G. Arasil1,”Mass analysis of an electric arc furnace (EAF) at a steel company in turkey” Metallurgist, Vol. 56, Nos. 3–4, July, 2012 (Russian Original Nos. 3–4, March–April, 2012).
- YasarYetiskena, UnalCamdalib, and Ismail Ekmekcic,”optimum charging materials for electric arc furnace (EAF) and ladle furnace (lf) system: a sample case", International Iron & Steel Symposium, 02-04 April 2012, Karabuk, Turkiye.
- U. Camdali and M. Tunc, “Exergy analysis and efficiency in an industrial AC electric arc furnace,” Appl. Therm. Eng.,21, 2255–2267 (2001).
- A. K. Prasad, R. K. Prasad, S. Khanam,”Design Modifications for Energy Conservation of Sponge Iron Plants”, Journal of Thermal Science and Engineering Applications march 2011, Vol. 3 / 015001-11.
- M. E. Ertem , S. Sen& G. Akar , “Energy Balance Analysis and Energy Saving Opportunities for Electric Arc Furnace”,( Taylor & Francis group) PP.-979-994,(2010).
- U. Camdali , Y. Yetisken&I.Ekmekci, ”Determination of the Optimum Cost Function for an Electric Arc Furnace and Ladle Furnace System by Using Energy Balance", (Taylor & Francis group),PP.-200212,(2011).
- H. Pfeifer, M. Kirschen, “Thermodynamic Analysis of EAF Energy Efficiency and Comparison With a Statistic Model of Electric Energy Demand”. (Institute of Industrial Furnaces and Heat Engineering in Metallurgy), (2010).
- Bernd Kleimt,Siegfried Kohle& Robert Kuhn, ”Application Of Models For Electrical Energy Consumption To Improve EAF Operation And Dynamic Control”,(2007).
- H.S. Shey& A Ghosh, “Principal of Extraction Metallurgy”,(1998).
- Jeremy Jones,”Utilization of Pig iron in the Electric Arc Furnace”, (prepared for the International pig iron association).PP.-1-18.(2007).
- Chirattananon and Gao,’’A model for the performance evaluation of the operation of electric arc furnace”, (Energy Conversion Management), PP.161 -166,(1996).
- Czapla, Karbowniczek and Michaliszyn, “ The optimization of electric energy consumption in the electric arc furnace”,(2008),PP.559–565.
- V. D. Smolyarenko, A. N. Popov,”Next-Generation Electric Arc Furnaces as a Steelmaking Modernization Factor”, (Journal of Russian Metallurgical) Vol.7,(2007).
- Jian-ping Duan, Yong-liang Zhang, ” EAF steelmaking process with increasing hot metal charging ratio and improving slagging regime”,(International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials) Volume 16, Number 4,(2009), PP.375-382.
- E. H. Mclntyre, J.E. Goodwill and D.E. Klesser, “The challenge of improving electric arc furnace efficiency”,(Journal of IronSteel Eng.),vol.71,(1994), PP.28.
- V. Logar, D. Dovzan, and I. Skarjanc, “Mathematical modeling and experimental validation of an electric arc furnace,” ISIJ Int., 51, No. 3,(2011) 382–391.