1.3 Твердое топливо и его свойства

Для естественного твердого топлива всех видов общим является не только одинаковый агрегатное состояние, но и общность условий происхождения. Твердое топливо естественного вида - растительного происхождения. Чем старше топливо, тем выше в нем содержание углерода и теплота сгорания[2].

Твердое топливо, кроме данных элементного анализа, характеризуется также данным технического анализа, при котором определяют:

- Содержание влаги,

- Выход летучих веществ и кокса,

- Зольность,

- Количество серы,

- Теплоту сгорания топлива.

Влажность является очень важной характеристикой твердого топлива и в большой мере определяет эффективность его использования

Летучие вещества выделяются из топлива при его термическом разложении без доступа воздуха. При этом происходит разложение неустойчивых молекул и выделение газообразных горючих веществ.

Кроме летучих веществ, продуктом термического разложения также кокс - твердый остаток продуктов разложения. Летучие вещества играют очень важную роль в процессе сгорания твердого топлива, так как загораются первыми и способствуют развитию процесса горения[2].

Твердое топливо содержит в составе негорючие элементы, составляющие основу золы. Чем выше количество этих негорючих элементов и выше зольность, тем ниже качество топлива.

Сера является крайне вредной примесью твердого топлива. При сжигании топлива, в состав которого входит сера, образуется оксид серы S02, который является очень сильным окислителем. При применении твердого топлива (кокса) в доменном производстве сера, содержащаяся в топливе, в значительной части переходит в чугун, снижая его качество и усложняя операции по дальнейшему переделе в сталь.

Твердое топливо в металлургических печах практически не применяют. Исключение составляет кокс, необходимый для доменного процесса. Кокс получают в специальных печах - коксовых батареях из каменных углей, имеющих необходимые свойства (коксующиеся угли). Исходным материалом для производства кокса в коксовых батареях служить угля дает испеченный кокс[2].

2. Ресурсоэнергосбережение в металлургии.

В журнале «Металлург» 2013 №4 был проведен «Анализ возможности снижения расхода топлива, эмиссии диоксида углерода и получения углеродных инвестиций на примере предприятий Свердловской области». Свердловской области функционируют три трубных завода и ряд других металлургических, горнодобывающих и машиностроительных предприятий. Для получения готовых труб или проката заготовку необходимо нагреть до определенной температуры в нагревательных печах различных типов. На предприятиях имеются также термические печи для нагрева готовых изделий с целью придания им нужных свойств. Количество нагревательных и термических печей по всем заводам составляет несколько сотен. Основное топливо для всех этих печей и установок – природный газ. При его полном сгорании образуется диоксид углерода (парниковый газ)[3].

Было рассчитано, что для снижения эмиссии CO₂ нагревательными печами нужно уменьшать удельные расходы топлива. Для этого в современных нагревательных и термических печах применяют рекуператоры или регенераторы для нагрева отходящими газами сгорания поступающего в горелки воздуха, однако устаревшие нагревательные печи иногда эксплуатируются без рекуператоров с очень большими удельными расходами топлива. Большинство печей имеет рекуператоры керамические или из металлических труб. Из-за подсоса воздуха в дымовой канал температура дымовых газов перед металлическим рекуператором заметно снижается. В результате температура подогрева воздуха на выходе из рекуператора не превышает 300–400 °C, а часто и значительно меньше. Керамические рекуператоры негерметичны, имеют большие утечки воздуха, что нарушает процесс регулирования горения. Экономия топлива с описанными рекуператорами составляет до 20% . В настоящее время разработаны регенеративные горелки. Воздух в насадках таких горелок нагревается до 1000 °C и более. Экономия топлива с такими горелками составляет 55–65% и выше. Находят применение также рекуперативные горелки, в которых подогрев воздуха доходит до 820 °C. Экономия топлива при этом превышает 40%[3].

Однако рассмотрение передового опыта реконструкции ряда предприятий раскрывает совершенно другие возможности экономии топлива и соответствующего получения углеродных инвестиций. В этих случаях при сопутствующих дополнительных эффектах (как правило, при модернизации печей), в том числе и при использовании новых горелочных устройств, увеличение производительности, снижение производственного брака, модернизация печного оборудования, включая горелочные устройства, приводят к существенным экономическим эффектам, что и подтверждает, например, опыт ПНТЗ при реконструкции ряда нагревательных и термических печей. Практика показывает, что, если в результате модернизации нагревательных и термических печей с установкой новых автоматизированных горелочных устройств удается существенно (в два и более раз) снизить расходы природного газа, то даже при российской стоимости природного газа достижимый экономический эффект приводит к срокам окупаемости 2–3 года.

Опыт использования рекуперативных горелок фирм Kromschröder и WS представляет ООО «НПК «Уралтермокомплекс». Приводятся данные о снижении расхода топлива при установке рекуперативных горелок Ecomax фирмы Kromschröde на термической печи с выкатным подом в 1,5–1,6 раза, что дает и соответствующее снижение эмиссии CO₂.

Среди отечественных разработок следует упомянуть автоматическую скоростную горелку ГСС

ТЕСКА. Отмечается, что стоимость этих горелок в 2–2,5 раза ниже по сравнению с зарубежными аналогами. При этом достигается экономия топлива до 30%, что, как показали предыдущие расчеты, само по себе не дает значительного экономического эффекта при существующей в России цене природного газа. Однако при внедрении этих горелок, как и в предыдущих примерах, на целом ряде машиностроительных и металлурги- ческих предприятий (в основном Свердловской и Челябинской областей) отмечены увеличение производительности, повышение качества нагрева, значительное снижение вредных выбросов, что, как правило, дает существенный экономический эффект.

В мировой практике продолжаются усилия по дальнейшему совершенствованию методов и способов использования природного газа в теплотехнических установках, при этом неизменно обращается внимание на необходимость снижения как вредных выбросов, так и парниковых газов. Примером в этом плане является разработка институтом технологий газа США термохимических рекуператоров, которые могут также комбинироваться с работающими по циклу Майсоченко элементами. Такие рекуператоры разделяют природный газ на два горючих газа – водород и оксид углерода и одновременно осуществляют рекуперацию теплоты продуктов сгорания, увеличивая тепловой КПД[3].

В журнале Известия ВУЗов. Черная металлургия 2013 года №2, была представлена статья разработанная преподавательским составом СТИ НИТУ МИСиС кафедры металлургия А.А Ансимовым, Э.Э. Меркером и Д.А. Харламовым, на тему «Разработка компьютерной системы управления режимом сжигания топлива во вращающихся обжиговых печах.» В работе были представлены данные по разработке и использованию компьютерной системы управления режимом сжигания топлива на вращающихся печах обжига известняка. Анализ опытных данных свидетельствует об эффективности и надежности применения этой системы для оптимизации режима сжигания топлива во вращающихся печах, что позволяет улучшить технико – экономические и энерго – экологические показатели производства извести[4].

В данной работе были проведены исследования на вращающихся печах обжига известняка для производства извести. Предложена модель и алгоритм расчета теплотехнологических показателей работы агрегата на основе текущего контроля соотношения топливо-воздух с учетом определения значений подсоса воздуха в головку печи и утечки воздуха в системе аспирации агрегата. Показана возможность и эффективность осуществления оперативного контроля коэффициента расхода воздуха по данным расчета его на компьютере, установленной на пульте печи, что позволяет оптимизировать параметры тепловой работы агрегата и повысить производительность, а также снизить удельный расход топлива[4].

В журнале Известия ВУЗов. Черная металлургия 2011 года №10, была представлена статья «Определение резервов экономии твердого топлива при агломерации железных руд».

Установлено, что условия протекания реального агломерационного процесса железных руд и концентратов с изменением параметра V_в/G_C от 12,5 до 15,5 м³/кг характеризуется изменением n_ст в диапазоне 1,0 – 3,0 и сопровождается снижением содержания моно- оксида углерода в отходящих газах с 8 до 4 %, что соответствует уменьшению величины химического недожога с 11,0 до 5,6 МДж/кг углерода. При недостатке (менее 12,5 м³ /кг) воздуха процесс горения твердого топлива сопровождается снижением полноты его развития, что характеризуется повышением химического недожога, снижением скорости спекания агломерационной шихты и понижением производительности установки. Получаемый при этом агломерат, как правило, имеет повышенные прочностные показатели. Более высокие значения удельного расхода воздуха способствуют увеличению производительности агломерационной машины при ухудшении качественных показателей получаемых спеков. Тек же установлены условия рационального сжигания агломерационного топлива, дающее максимальную полноту его сжигания при обеспечении условий получения прочного агломерата. Представлена методика оценки эффективности использования твердого топлива при агломерации железных руд. Показано, что наиболее эффективно используется топливо на аглофабрике НЛМК благодаря применению прогрессивных приемов организации процесса спекания[8].