8.1 Экономия энергоресурсов

Современная металлургия базируется на использовании: горючих ископае­мых (уголь, природный газ, нефть), электроэнергии (источниками кото­рой являются нефть, природный газ, уголь), кислорода (производство, ко­торое связано со значительными рас­ходами электроэнергии).

Энергоресурсы металлургических предприятий обычно делят на первич­ные и вторичные. К первичным отно­сят потребляемые в процессе произ­водства поступающие на завод уголь, газ, мазут, электроэнергию и т. п. Вто­ричные энергетические ресурсы (ВЭР) условно можно подразделить на две группы: высокопотенциальные ВЭР и низкопотенциальные ВЭР.

В нашей стране и во многих других промышленно развитых странах основ­ное внимание традиционно уделяют утилизации высокопотенциальных ВЭР.

Использование высокопотен­циальных ВЭР. К высокопотенциаль­ным вторичным энергоресурсам отно­сят обычно нагретые до высоких тем­ператур (1000-1700 °С) отходящие газы металлургических агрегатов, а также отходы, содержащие горючие компоненты. На практике действуют достаточно эффективные способы утилизации физического и химичес­кого тепла этих газов.

Утилизация тепла отходящих газов. Покидающие рабочее простран­ство металлургических агрегатов горя­чие дымовые газы уносят с собой зна­чительное количество тепла (тем боль­шее, чем выше температура газов и чем ниже степень использования теп­ла в агрегате). Для максимальной ути­лизации тепла чаще всего используют следующие варианты:

пропускают отходящие горячие газы через котел-утилизатор с целью получения пара;

используют горячие газы для предва­рительного (перед загрузкой в сталепла­вильный агрегат) подогрева металлолома;

организуют передачу тепла горячих газов воздуху или газу, подаваемому в металлургический агрегат для горения (применение теплообменников реге­неративного и рекуперативного ти­пов). Следует подчеркнуть, что единица тепла, отобранного у горячих ды­мовых газов и вносимая в печь подо­гретым воздухом или газом, оказыва­ется значительно ценнее единицы тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива. Использование ре­генеративных и рекуперативных теп­лообменников обеспечивает заметное снижение расхода топлива.

Описанные выше методы сохране­ния тепла газов имеют общее назва­ние — регенерация тепла¹.

Регенерация в теплотехнике — ис­пользование тепла отходящих газов для подогрева воздуха и/или топлива, поступающих в какую-либо теплотех­ническую установку, печь.

Регенератор — теплообменник, в котором передача тепла осуществляет­ся путем поочередного соприкоснове­ния горячего и холодного теплоносите­лей с одними и теми же поверхностями аппарата. Во время соприкосновения с горячим теплоносителем стенки реге­нератора нагреваются, с холодным — охлаждаются, нагревая его.

Рекуператор — теплообменник по­верхностного типа для использования тепла отходящих газов, в котором теп­лообмен между теплоносителями осу­ществляется непрерывно через разде­ляющую их стенку. В отличие от реге­нератора трасса потоков теплоносите­лей в регенераторах не меняется.

Регенеративные теплообменники широко применяют на высокотемпе­ратурных печах (мартеновских и до­менных печах, в нагревательных ко­лодцах), так как регенераторы могут работать при весьма высоких темпера­турах дымовых газов (1500—1600 °С). При такой температуре рекуператоры работать устойчиво пока не могут.

Особенности утилизации конвертерных газов. Основной состав­ляющей конвертерных газов является СО; температура их в зависимости от периода плавки колеблется в пределах 1300-1700 "С. В случае работы кон­вертеров с подачей кислорода только сверху в отходящих газах практически нет водорода; при донной продувке и защите фурм подачей жидких или газообразных углеводородов в отходя­щих газах может содержаться заметное количество водорода.

Конвертерные газы представляют собой ценнейший вид высокопотен­циальных ВЭР (можно утилизировать и физическое тепло нагретых газов, и химическое тепло от сжигания СО и Н₂). Приходится, однако, учитывать следующее:

1. Интенсивность выделения газов из конвертера периодически меняется от нуля в межплавильный период до максимума примерно в середине пери­ода продувки. Если принять, что про­межуток времени от выпуска до выпус­ка 35 мин (т. е. примерно 40 плавок в сутки), а продолжительность интен­сивного окисления углерода 10 мин, то из 1440 мин суточного времени лишь 10 • 40 = 400 мин в сутки конвертер по­кидают газы, являющиеся ВЭР.

2. Отходящие конвертерные газы несут с собой значительное количество плавильной пыли (в отдельные перио­ды до 250 г/м³ газа). Выброс таких за­пыленных газов в атмосферу недопус­тим и по санитарным, и по экологичес­ким, и по экономическим нормам (пыль состоит в основном из оксидов железа). Поэтому все конвертеры обо­рудованы системами очистки отходя­щих газов с тем, чтобы утилизировать пыль, уловленную в этих системах. В данной связи конвертер является частью единой системы: конвертер — охладитель газов (котел-утилизатор)— газоочистное устройство—дымосос-устройства для выброса газов в атмос­феру или для их утилизации. В зависи­мости от допускаемого (или организуе­мого) подсоса воздуха в систему плавка может осуществляться по нескольким режимам:

а) с полным дожиганием (дополни­тельно выделяемое тепло в известной степени используется в котле-утилиза­торе);

б) с частичным дожиганием (при максимальном выделении газов дожи­гается только часть СО, остальная часть СО сгорает на свече на выходе из системы; при уменьшении выделя­ющихся газов количество СО, сгораю­щего на свече, уменьшается; в резуль­тате обеспечивается по ходу всей продувки более равномерная работа кот­ла-утилизатора при постоянной про­изводительности дымососа; как при полном, так и при частичном дожига­нии объемы газов вследствие подсоса воздуха существенно (в 3—4 раза) воз­растают;

в) без дожигания. В последнем слу­чае зазор между горловиной конверте­ра и котлом-утилизатором герметизи­руют. Объем очищаемых газов при этом в 3—4 раза меньше, чем при рабо­те с дожиганием, что упрощает и уде­шевляет организацию газоочистки. Выделяющиеся после газоочистки газы собирают в газгольдере. Их мож­но использовать как топливо (содер­жат 70—85 % СО, теплота сгорания 8-10 кДж/м³) или сырье для химичес­кой промышленности. Отечественная промышленность пока не располагает значительным опытом такой работы. Основная масса конвертерных газов используется для получения пара и подвергается при этом охлаждению до (200—500 °С) в котлах-утилизаторах, после чего направляется на газоочист­ку. Современные котлы-утилизаторы имеют паропроизводительность до 300 т/ч и более.

Кроме перечисленных способов утилизации горячие конвертерные газы можно использовать и как вос­становитель железорудного сырья, и для предварительного нагрева загру­жаемого в конвертер лома. Использо­вание газов как восстановителя весьма заманчиво, но только после охлажде­ния, так как в случае твердофазного восстановления желательно иметь температуру около 1050 °С (т. е. газы необходимо охлаждать). В Магнито­горском горно-металлургическом ин­ституте предложена технология так называемой энергохимической аккуму­ляции, сущность которой заключается в добавке в отходящие конвертерные газы определенного количества при­родного газа. В результате реакции повышается теплота сгорания газа, увеличивается его количество.

СО + ЗСО₂ + СН₄ = 4СО + СO₂ + Н₂ + Н₂О

Возможны и другие варианты ре­шения проблемы эффективного использования физической и химичес­кой теплоты конвертерных газов.

Пути использования низкопо­тенциальных ВЭР. Низкопотенциаль­ные вторичные энергетические ресур­сы (например, отходящие газы с тем­пературой 200 "С и менее) очень часто не только остаются неиспользованны­ми, но и рассеиваются в окружающую среду. По мере совершенствования методов использования высокопотен­циальных ВЭР доля энергии, теряе­мой с низкопотенциальными ВЭР, возрастает. Проблема использования этих низкопотенциальных ВЭР уже имеет несколько вариантов решения, проверенных на практике:

1. Выработка электроэнергии на базе специальных турбин, работаю­щих на легковскипающих рабочих те­лах. Этот путь опробован на некото­рых предприятиях (прежде всего в та­ких странах с малыми природными энергоресурсами, как Япония, Ю. Ко­рея, Италия).

2. Использование низкопотенци­альных ВЭР для обогрева грунта (обо­греваемые теплицы).

По предварительным расчетам, та­кое предприятие, как крупный метал­лургический комбинат, может отапли­вать низкотемпературными (80—90 °С) ВЭР примерно 150 га теплиц и обеспе­чивать тем самым производство около 60 тыс. т овощей и зелени.

3. Использование перепада давле­ния при дросселировании газов на га­зораспределительных пунктах (ГРП) и газораспределительных станциях (FPQ металлургических заводов. Во многих случаях давление редуцируется в 3—6 раз без какого-либо использова­ния. Между тем использование энер­гии сжатых газов может быть реализо­вано с целью выработки холода, необ­ходимого для производства и хране­ния плодоовощной продукции.

4. Использование углекислоты, из­влекаемой из отходящих газов для по­лучения сухого льда (который затем можно использовать для быстрой за­морозки, хранения, сушки продуктов питания и т. п.).

Пункты 3 и 4 заслуживают особого внимания в связи с запретом на ис­пользование фреонов (для сохранения озонового слоя).