Утилизация промышленных газов

УТИЛИЗАЦИЯ ПРОМЫШЛЕННЫХ ГАЗОВ

На современном этапе  развития металлургии очень важной становится проблема ее взаимодействия с окружающей средой. Экологические  условия функционирования связаны  с уникальными масштабами материального  и теплового взаимодействия с биосферой.

Это обусловлено тем, что, потребляя огромное количество первичных  ресурсов в виде твердого, жидкого  и газообразного топлив, традиционные металлургические производства, кроме  выпуска так необходимых нашей  промышленности металлоизделий, выбрасывают  в окружающую среду большое количество отходов (шлаки, отвалы породы, сточные  воды, газообразные выбросы и т.д.). Физическую теплоту и теплоту сгорания части из них в качестве топлива можно с успехом использовать в металлургических циклах.

В частности, для выработки  электрической и тепловой энергии. Использование вторичных энергоресурсов (ВЭР) может дать большую экономию топлива. Для металлургических предприятий  с характерной для них большой  энергоемкостью снижение издержек на производство металлопродукции позволит повысить её конкурентоспособность  на рынках отечественном и, что особенно важно, зарубежном.

Газообразные ВЭР черной металлургии, в зависимости от вида заключенной в них энергии, условно  подразделяются на: горючие, тепловые и ВЭР избыточного давления .

Например можно вторично использовать технологические газы:

• доменный газ, который выделяется при выплавке чугуна из руды в домне;
• конвертерный газ, газы после мартеновских и электропечей, выделяющиеся при выплавке стали;
• газы после нагревательных печей, в которых заготовки после мартеновских печей нагреваются для последующей прокатки на прокатных станах – это продукты сгорания малосернистого мазута или природного газа;
• коксовый газ, выделяющийся при производстве кокса, необходимого при выплавке чугуна;
• газы после обжиговых печей, предназначенных для обжига огнеупорных материалов, а также материалов, входящих в состав шихты (флюсов) при плавке в доменной печи.

В чем условность разделения ВЭР? В том, что, к примеру, доменный газ, на выходе из доменной печи имеет  избыточное давление, значительную физическую теплоту, к тому же он еще является горючим газом. Сначала им в воздухонагревателях  подогревают обогащенный кислородом воздух до температуры порядка 9000C. Повышение количества кислорода  в дутьевом воздухе позволит повысить температурный уровень в зоне плавки, уменьшить объем доменного  газа с одновременным повышением его теплоты сгорания. Понижение  объемов продуктов сгорания позволит повысить КПД доменной печи. Далее доменный газ можно использовать после его очистки от пыли либо сразу сжигая в котле-утилизаторе, либо для начала использовать давления доменного газа в газовых утилизационных бескомпрессорных турбинах (ГУБТ).

Потенциальная энергия избыточного  давления доменного газа после современных  доменных печей может использоваться в ГУБТ для выработки электрической  энергии. Практически без затрат топлива ГУБТ позволяют возвратить до 40% энергии, затрачиваемой на доменное дутье. Развитие этого направления  энергетики позволит производствам  экономить органическое топливо  и уменьшает тем самым загрязнение  окружающей среды, что благоприятно сказывается на жизнедеятельности  населения. Одним из решений может стать постройка современной доменной печи, которая бы позволила использовать потенциальную энергию доменного газа в бескомпрессорных турбинах. Так, на сегодняшний день для использования давления доменного газа производятся турбины мощность на муфте генератора достигает  8000 кВт и может работать, если абсолютное давление доменного газа перед турбиной составляет 0,3 МПа. Для сжигания доменного газа применяют водотрубные котлы. Основным продуктом доменной плавки является чугун, а побочными – шлак и доменный газ. В среднем при сгорании 1 т сухого кокса образуется 3400 м3 доменного газа со средней теплотой сгорания порядка 3,96 МДж/м3.Еще одним наглядным примером условности разделения ВЭР может служить конвертерный газ – газ, который образуется при плавке стали в кислородном конвертере. Он имеет температуру на входе в нижний подъемный газоход котла утилизатора порядка 2000 С, кроме этого он на 90% состоит из монооксида углерода СО, который является хорошим топливом. Чтобы показать целесообразность его использования в качестве топлива, приведем такой пример: низшая теплота сгорания водорода 10,78 МДж/м3, а монооксида углерода – 12,64 Мдж/м3. Для утилизации конвертерных газов используют, так называемые, котлы-охладители конвертерных газов ОКГ. 

Cуществует 3 типа котлов-охладителей: котлы без дожигания СО, котлы с частичным дожиганием и котлы с полным сжиганием СО. Возникает естественный вопрос: почему нельзя полностью использовать конвертерный газ, зачем нужны котлы без дожигания? Основная проблема уже существующих предприятий заключается в габаритах котла, конвертера и размерах уже существующего помещения. Котел надстраивается поверх конвертера. Так, к примеру, высота некоторых достигает 25 м. Переменные нагрузки котла, связанные с принципом работы конвертера, не позволяют работать только на конвертерном газе, так как количество газов с течением времени изменяется от максимума до нуля. Поэтому на котле устанавливают горелки коксового или другого газа, а также устанавливают паровые аккумуляторы .

Теперь сразу становится понятным, почему далеко не всегда применяют  котлы с полным или частичным  дожиганием: котел попросту не поместится в существующее помещение без его реконструкции, для которой понадобиться останавливать производство на существующих мощностях мартеновских печей. Для новых помещений такой проблемы не существует, и можно полностью использовать конвертерный газ, экономя топливные ресурсы.

Максимальное использование  ВЭР и внедрение энергосберегающих  мероприятий решает одновременно экологические  проблемы на предприятиях и позволяет  уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу, снизить тепловое загрязнение, которое более существенно при  сжигании газов «в свече» ,чем при использовании их в котлах-утилизаторах. Уменьшение потребления ископаемых горючих за счет использования ВЭР позволит снизить выбросы в атмосферу токсичных оксидов азота, серы, которые являются весьма вредными примесями. Они раздражающе воздействуют на органы дыхания, окисляют атмосферные осадки, разрушают оборудование и материалы, способствуют образованию смогов и ухудшению видимости ,истощают озоновый слой.

Для более полной картины  по ВЭР черной металлургии рассмотрим такой процесс, как производство кокса на коксохимических предприятиях. Коксохимические заводы Украины  используют значительное количество энергетических ресурсов. Так, к примеру, потребление  заводов превышает 100 000 тыс. кВт/час .Потенциал энергосбережения в этой области чрезвычайно высок. Почти все, затрачиваемые энергетические мощности коксохимы могут покрывать за счет использования собственных ВЭР. Так, всего на 1 украинском предприятии раскаленный кокс после коксовых батарей тушат негорючими газами  в установке сухого тушения кокса (УСТК). Потом эти газы направляются в котел-утилизатор для охлаждения, после чего ими опять охлаждают кокс, а вот на остальных предприятиях коксохимической промышленности кокс тушат водой. В результате чего теряется значительная доля теплоты и значительное количество кокса, загрязняется окружающая среда. Если обратиться к цифрам, то получается, что стоимость всех затрат на монтаж и проектирование всех систем мокрой установки тушения кокса составляет порядка 10-15 миллионов гривен. В отличие от установок мокрого тушения затраты на УСТК на порядок выше и составляют 150 миллионов гривен. Эти затраты быстро окупаются за счет получения кокса более высокого качества, уменьшения потерь кокса и тепла в окружающую среду по сравнению с мокрым тушением. Так, к примеру, некоторые предприятия удовлетворяют свои потребности в энергоресурсах на 104%.

Сейчас металлургические заводы проводят реконструкцию энергетических котлов ТЭЦ, переводя их на сжигание доменного, коксового газа, а также и их смеси. Из-за высокого содержания в  доменном газе балласта (негорючих  газов: азота порядка 55%, углекислого  газа порядка 10%, кислорода до 1%) его  сжигание без добавления природного или коксового газов вызывало некоторые затруднения. В настоящее  время для его сжигания применяют, так называемые, плоскофакельные горелки, в которых организовывается хорошее перемешивание газов с воздухом. Поэтому они позволяют эффективно сжигать доменный газ как без добавок природного, коксового газов, так и совместно с ними. Это очень удобно, так как количество доменного газа при эксплуатации доменной печи в силу ряда причин изменяется, изменяется также его состав, а для нормальной работы котла необходимо поддерживать определенный расход и теплоту сгорания топлива. Стоимость такой реконструкции одного котельного агрегата колеблется в пределах от 25 до 30 миллионов гривен, что зависит от мощности котла, характера и количества выполняемых работ.

Конечным итогом деятельности в области энергосбережения на металлургических предприятиях и предприятиях смежных  производств является уменьшение энергозатрат на производство металлопродукции. Так, средняя энергоемкость 1 тонны металлургической продукции составляет 1,9 тонны «условного топлива», а в Западной Европе этот показатель составляет 0,2 тонны на 1 тонну металлопродукции.К наиболее важным направлениям энергосберегающей деятельности относятся использование собственных вторичных энергоресурсов и замещение ими по мере возможности более дорогостоящих природного газа и малосернистого мазута, применение современных технологий и оборудования. Кроме того, снижение потребления энергоресурсов за счет совершенствования существующих технологических процессов и режимов работы оборудования, оптимизация энергобаланса предприятия и его подразделений, снижение расходов на выработку производимых на предприятии энергоресурсов, совместная выработка электрической и тепловой энергии, снижение потребления энергоресурсов подразделениями предприятия за счет повышения эффективности использования энергоносителей, нормирование и прогнозирование потребления энергоресурсов на основе математических моделей. 

В Украине существуют все  необходимые условия для развития отрасли: это и материальная база, и научно-технический потенциал, и производственные мощности. Но немногие производители решатся что-то менять до тех пор, пока закон позволяет  им работать по старинке. Руководители не хотят внедрять новые технологии в производство, так как это  повлечет за собой большие капиталовложения. Вот только почему никто не хочет  задумываться о том, что будет  через пару тройку лет? Ведь если ничего не менять, не модернизировать производственные мощности, не проводить жесткого мониторинга  использования энергетических ресурсов, попросту разбазаривая их, то продукция, производимая на наших металлургических предприятиях станет непривлекательной в ценовом отношении не только отечественным, но и зарубежным потребителям.

С каждым днем оборудование морально устаревает, для его замены требуются все большие и большие  вливания капитала. Если не внедрять никаких  инновационных проектов, не проводить  замену старого оборудования, то через  некоторое время наша промышленность окажется «у разбитого корыта», а  мы вместе с ней. Так, на сегодняшний  день металлургические предприятия  являются крупными налогоплательщиками  и обеспечивают большое количество рабочих мест у себя на производстве, а также на смежных производствах, которые работают, поставляя сырье для производства металлопродукции.

Вот почему мне хочется  надеяться на то, что большинство  руководителей производств все-таки последуют примеру тех немногих, кто проводит у себя на заводах реконструкции основного энерготехнологического и металлургического оборудования. Пусть хотя бы для того, чтобы в дальнейшем получать за счет этого прямую выгоду, а в настоящем носить гордое звание передового производства.