авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |

Повышение энерготехнологической эффективности коксовой батареи металлургического комбината на основе трехмерного моделирования тепловых процессов

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

ИСАЕВ МИХАИЛ ВЛАДИМИРОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ КОКСОВОЙ БАТАРЕИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО КОМБИНАТА НА ОСНОВЕ ТРЕХМЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕПЛОВЫХ ПРОЦЕССОВ

Специальность 05.14.04 – Промышленная теплоэнергетика

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Москва – 2010

Работа выполнена на кафедре Промышленные теплоэнергетические системы Московского энергетического института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук,

ст. науч. сотрудник

Султангузин Ильдар Айдарович

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

ст. науч. сотрудник

Пацков Евгений Алексеевич

кандидат технических наук, доцент

Морозов Игорь Петрович

Ведущая организация: ООО Научно–технический центр

«Промышленная энергетика»

Защита диссертации состоится «16» декабря 2010 г. в 15 час. 30 мин. в аудитории Г 406 на заседании диссертационного совета Д 212.157.10 при Московском энергетическом институте (техническом университете) по адресу 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 17.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять по адресу: 111250, Москва, ул. Красноказарменная, д. 14, Ученый совет МЭИ (ТУ).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского энергетического института (технического университета).

Автореферат разослан « » ноября 2010 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.157.10 к.т.н., доцент

Степанова Т.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Коксохимическое производство (КХП) является одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на металлургическом комбинате (МК). На производство кокса расходуется порядка 67% всех ТЭР, потребляемых на КХП. Основным продуктом на КХП является кокс, который получают в коксовых батареях. Годовой выжиг кокса на крупных МК, в зависимости от количества коксовых батарей и их производительности, составляет 3-5 млн. тонн. Коксовые батареи потребляют следующие виды топливно-энергетических ресурсов: коксовый газ, доменный газ, пар и электроэнергию.

Для определения актуальности диссертационной работы, на базе проведенного энерготехнологического обследования МК полного цикла ОАО «Западно-Сибирский металлургический комбинат» (ОАО «ЗСМК») рассмотрен баланс потребления и выработки ТЭР на КХП, отнесена доля затрат ТЭР на коксовый цех, как части КХП, и определен потенциал энергосбережения в коксовых цехах и коксовых батареях в частности.

Основным потребителем ТЭР на КХП комбината является коксовое производство. При производстве 3,8 млн. т сухого кокса в коксовых цехах (КЦ) расходуют 507 тыс. т у.т. в год. Основными потребителями ТЭР в КЦ являются коксовые батареи – 485 тыс. т у.т. в год. Годовое потребление ТЭР батареями составляет: коксовый газ – 548 млн. м3 (309 тыс. т у.т.), доменный газ – 1120 млн. м3 (150 тыс. т у.т.), пар – 617 тыс. ГДж (21 тыс. т у.т.), электроэнергия – 40 млн. кВт-ч (5 тыс. т у.т.).



На основе проведенного энергетического обследования определен следующий потенциал энергосбережения для батарей: снижение потерь теплоты от неполного сгорания – 11 тыс. т у.т. в год, полезное использование теплоты с продуктами сгорания после регенератора – 48 тыс. т у.т. в год, снижение потерь теплоты через ограждения коксовой батареи в окружающую среду – 31 тыс. т у.т. в год, полезное использование теплоты коксового газа на выходе из батарей – 55 тыс. т у.т. в год.

По основным энерготехнологическим показателям проводилось сравнение эффективности работы коксовых батарей комбината с современными высокоэффективными зарубежными батареями. Сравнение показало высокий потенциал энергосбережения батарей комбината и подтвердило необходимость его реализации.

При реализации потенциала энергосбережения необходимо учитывать влияние вводимых изменений на качество кокса. Кокс должен обладать высоким качеством, стандарты для которого определяет доменное производство. Чем ниже качество кокса, тем больше потребление ТЭР в доменном производстве. Повышение качества кокса является приоритетной актуальной для комбината целью, достижение которой позволит сократить потребление ТЭР. При увеличении горячей прочности кокса CSR на 1%,

годовая экономия в доменных печах составит 9200 тыс. тонн кокса в год, что обеспечит экономический эффект в 30 млн. рублей в год.

В коксохимической промышленности России эксплуатируются 62 батареи, которые производят 40 млн. тонн кокса в год. Фактический срок эксплуатации большинства батарей превышает 30 лет, хотя нормативный амортизационный срок эксплуатации 20 лет. Актуальной задачей является создание батарей с более эффективными конструктивными характеристиками для качественного улучшения процесса коксования.

Для повышения энерготехнологической эффективности коксовой батареи необходимо применять новые современные методы исследования, такие как трехмерное численное моделирование. В диссертационной работе на основе современного вычислительного комплекса «Fluent» проведено трехмерное численное исследование физико-химических процессов в обогревательных вертикалах печной камеры коксовой батареи.

Повышение энерготехнологической эффективности коксовой батареи металлургического комбината обеспечит значительный экологический эффект на основе снижения вредных выбросов и, как следствие, уменьшение их влияния на здоровье людей.

Цель работы.

Повышение энерготехнологической эффективности коксовой батареи металлургического комбината за счет совершенствования режимных параметров на основе трехмерного моделирования тепловых процессов для улучшения показателей качества кокса.

Задачи работы:

  • Определение потенциала энергосбережения, направлений повышения энерготехнологической эффективности и разработка энергосберегающих мероприятий.
  • Обоснование целесообразности применения трехмерной численной модели по сравнению с двух- и одномерными моделями.
  • Проведение численных исследований физико-химических процессов в печной камере коксовой батареи на основе применения методов трехмерного численного моделирования в программном комплексе «Fluent».
  • Обоснование пригодности численной модели на основе сравнения с данными натурного (промышленного) эксперимента.
  • Применение численной модели для повышения равномерности распределения температур в обогревательном вертикале батареи относительно эксплуатации при фактических режимных параметрах.
  • Оценка влияния равномерности распределения температур в обогревательном вертикале на распределение температур в коксовой камере и показатели качества кокса.
  • Оценка энергетической эффективности и экономической целесообразности использования разработанных решений для повышения качества кокса по высоте, ширине и длине коксового пирога.
  • Определение воздействия повышения энерготехнологической эффективности коксовых батарей на снижение вредных выбросов.

Научная новизна:

  • Впервые, на основе применения трехмерного численного моделирования физико-химических процессов в печной камере в сочетании с данными, полученными в ходе промышленного эксперимента на коксовой батарее, определено распределение компонентов газовой смеси, температур в факеле и на стенках, разделяющих печную и коксовую камеру.
  • На основании полученных данных при численном и экспериментальном исследовании зафиксирована неравномерность распределения температур, горючих компонентов газовой смеси и скоростей по объему печной камеры, что позволило определить наиболее эффективные режимные параметры батареи относительно фактического режима эксплуатации для повышения степени равномерности распределения температур и показателей качества кокса в коксовом пироге.

Практическая ценность:

  • Определен удельный потенциал энергосбережения в коксовой батарее, базирующийся на снижении потерь теплоты с химическим недожогом топлива, с уходящими газами, через ограждения в окружающую среду и с коксовым газом на выходе из батарей, который составляет 39 кг у. т./ т сухого кокса или 30% от общего потребления ТЭР батареей.
  • Снижение потребления ТЭР в коксовой батарее при реализации разработанных энергосберегающих мероприятий составляет 2,8 кг у. т/ т сухого кокса или 2,2 % от суммарного потребления.
  • Снижение расхода кокса в доменной печи за счет реализации энергосберегающих мероприятий, разработанных для улучшения показателей качества кокса в коксовых батареях, составляет 9,7 кг кокса/ т чугуна или 2,3 % от суммарного расхода кокса в доменной печи.
    • Внедрение мероприятия по повышению степени равномерности обогрева коксового пирога позволило увеличить показатель качества кокса CSR в среднем по коксовому пирогу на 1%, что позволяет снизить расход кокса в доменной печи на 1,7 кг кокса/т чугуна. При выплавке 5,3 млн. т чугуна снижение расхода кокса составляет 9200 т кокса в год. Экономический эффект составляет 30 млн. рублей в год.

Достоверность.

Приведенные в диссертационной работе результаты и выводы базируются на проведенных экспериментальных и численных исследованиях. Сравнение результатов численных исследований, полученных на модели, с экспериментальными данными показывают удовлетворительную сходимость.

Личное участие.

Основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н., проф. Султангузина И.А.

Апробация работы.

Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались и обсуждались на 12, 13, 14, 15 и 16 Международных научно-технических конференциях студентов и аспирантов «Радиоэлектроника, электротехника и энергетика» (Москва. 2006 – 2010г.), третьей и четвертой Всероссийских школах-семинарах молодых ученых и специалистов (г. Москва, МЭИ, 2006г., 2008г.), 7-ой международной научно-технической конференции «Тепло – и массообменные процессы в металлургических системах» (г. Мариуполь, Украина, ПГТУ, 2006 г) и пятой Международной научно-практической конференции в МИСиС «Энергосберегающие технологии в промышленности. Печные агрегаты. Экология. Безопасность технологических процессов» (г. Москва, МИСиС 2010 г.).

Публикации.

Материалы, отражающие содержание диссертационной работы и полученные в ходе ее выполнения, представлены в 18 публикациях, в том числе в 4-х статьях рекомендованных ВАК журналах.

Структура и объем работы.

Диссертация изложена на 178 страницах и состоит из введения, четырех глав, выводов, приложения. Работа содержит 52 рисунка и 43 таблиц, 4 приложения, список использованных источников содержит 68 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, сформулирована цель и задачи исследования, показана научная новизна и практическая ценность, дана общая характеристика работы.

В первой главе приведен обзор литературы по теме диссертации, основной задачей которого являлся анализ структуры коксохимического производства металлургических комбинатов, конструктивных особенностей коксовых батарей, эксплуатирующихся на металлургических комбинатах России, схем обогрева батарей и состава отопительных газов, проанализированы основные особенности гидравлического и теплового режима. Представлен анализ повышения энерготехнологической эффективности коксовых батарей и снижения вредных выбросов.

Повышение эффективности работы коксовых батарей сводится к решению задач улучшения показателей качества кокса и снижения потребления газа в коксовых батареях, а также к полезному использованию и уменьшению потерь теплоты после коксовых батарей: теплоты уходящих газов после регенераторов, теплоты неочищенного коксового газа до газового оросителя, теплоты готового кокса непосредственно после камеры коксования и снижению потерь теплоты в окружающую среду через ограждающие конструкции коксовой батареи.





При улучшении показателей качества кокса CSR (индекс горячей прочности кокса) и CRI (индекс реакционной способности кокса) увеличивается равномерность хода плавки и снижается удельный расход кокса в доменных печах. Показатели качества кокса зависят от состава и влажности угольной шихты, плотности загрузки и режимных параметров процесса обогрева коксовой батареи.

Температурный режим процесса коксования влияет как на качество кокса, так и на расход отопительного газа. Так как процесс коксования длится от 15 и выше часов, то существует возможность изменять температуру в зависимости от временной стадии процесса коксования, при этом необходимо при каждой смене температурного режима соблюдать равномерность распределения температур по высоте, ширине и глубине печной камеры коксовой батареи.

В настоящий момент существуют опубликованные в открытой печати работы по исследованию режимов горения отопительного газа в печной камере, но данные работы рассматриваются в виде одномерной модели, которая учитывает только высоту печной камеры и не учитывает в полной мере ее сложную геометрию и аэродинамические характеристики процесса. Геометрические характеристики вносят существенный вклад в достоверность прогнозных расчетов при определении равномерности обогрева. Для учета геометрических характеристик обогревательных вертикалов печной камеры в диссертационной работе проводилось трехмерное численное исследование физико-химических процессов в коксовой камере.

Проведен анализ методов сохранения и полезного использования теплоты после коксовой батареи, таких как использование теплоты уходящих газов после регенераторов, потерь теплоты через ограждающие конструкции, потерь теплоты с прямым коксовым газом и полезного использования теплоты горячего кокса после процесса коксования в батарее.

На основе анализа полученной информации из отечественной и зарубежной литературы в конце главы сформулированы задачи дальнейшего исследования.

Вторая глава посвящена анализу балансов потребления и выработки ТЭР коксохимическим производством в целом и коксовыми батареями ОАО «ЗСМК», определению потенциала энергосбережения, анализу путей повышения энергетической эффективности и разработке энергосберегающих мероприятий.

Оценено влияние конструктивных характеристик батарей комбината на потребление ТЭР и качество кокса. Наиболее эффективны коксовые батареи №1 и 7 в связи с наименьшим удельным расходом теплоты и при этом наибольшим выжигом кокса.

Анализ фактических данных коксования угольных шихт комбината показал положительное влияние на качество кокса увеличения периода коксовании шихты и доли сухого тушения кокса.

На основании анализа оперативных данных установлена нестабильная влажность шихты, загружаемой в коксовую батарею. Проведены исследования влияния влажности шихты на выжиг кокса для батареи №1, потребление отопительного газа и потери теплоты. Увеличение влажности шихты приводит к уменьшению выжига кокса и к увеличению потребления отопительного газа, что приводит к увеличению потерь теплоты с продуктами сгорания и потерь теплоты с химическим недожогом. При увеличении влажности шихты с 7 до 9% снижается выжиг кокса на 2%, увеличивается расход отопительного газа на обогрев батареи на 4 м3/ т сухого кокса или в тепловом выражении 67,6 МДж/т сухого кокса. Увеличиваются потери теплоты с продуктами сгорания после регенераторов на 10,7 МДж/т сухого кокса и потери теплоты от неполного сгорания отопительного газа на 1,8 МДж/ т сухого кокса.

Для определения и последующего анализа потенциала энергосбережения был рассчитан материальный и тепловой баланс коксовой батареи. Удельные показатели коксовой батареи комбината сравнивались с удельными показателями высокоэффективных батарей на зарубежных заводах. Удельные показатели работы зарубежных батарей основаны на материалах Брюссельского мирового института черной металлургии. Сравнение показало, что батареи комбината по сравнению с зарубежными батареями теряют в окружающую среду на 15 % больше теплоты. В натуральном выражении перерасход составляет 23 млн. м коксового газа или 11 млн. руб. в год в ценах 2008 года.

Для определения путей повышения энерготехнологической эффективности и разработки энергосберегающих мероприятий для коксовой батареи был проведен полномасштабный промышленный эксперимент.

В ходе промышленного эксперимента на коксовой батарее проводились параллельно измерения состава дымовых газов в подовых каналах и в печной камере и измерения температуры в коксовой камере на разных уровнях по высоте. Помимо вышеперечисленных замеров были установлены цилиндры с угольной шихтой в разные точки по высоте, ширине и глубине коксовой камеры для определения в них значений CSR и CRI кокса.

Измерения состава дымовых газов в подовых каналах проводились для определения значений коэффициента избытка воздуха. Измерения состава дымовых газов в печной камере проводились для определения длины факела. Измерения температуры в камере коксования на разных уровнях по высоте обогревательного вертикала проводились для установления взаимосвязи процесса горения в печной камере и нагрева шихты в камере коксования. Установка цилиндров производилась для определения взаимосвязи равномерности нагрева шихты с распределением значений показателей прочности кокса по высоте, ширине и глубине камеры коксования.

В ходе замеров состава газов установлено, что доля CO в уходящих газах ряда подовых каналов превышает 1000 ppm, что является следствием недожога топлива. Недожог вызван неправильно выбранным режимом горения коксового газа в обогревательных вертикалах.

Из данных по замерам состава дымовых газов, в вертикале с восходящим потоком газов, на глубине 2,7, 3,5 и 4 м от верха коксовых батарей следует, что длина факела примерно составляет 2/3 от высоты камеры коксования. Короткий факел приводит к неравномерному распределению температур по высоте камеры коксования и, как следствие, к неравномерному распределению качества кокса. В данном случае необходимо удлинять факел посредством совершенствования режимных параметров коксовой батареи.

Помимо измерений состава газа в центре потока, был измерен состав газа вблизи стен вертикала с восходящим потоком газов для определения равномерности распределения доли горючих компонентов по ширине обогревательного простенка. Из полученных на основе замеров данных видно, что распределение долей горючих компонентов в дымовых газах по ширине на одной высоте неравномерно. Максимальное значение измерено со стороны газовой горелки.



Pages:   || 2 | 3 |
 

Похожие работы:










 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.