Теория и технология металлургии стали. Энергетика, технология и экология сталеплавильных процессов. Учебно-методическое пособие

На рис. 1.3 приведены данные по экономии электрической энергии при использовании рассмотренных выше вариантов. Применение альтернативных энергоносителей во всех случаях приводит к экономии электрической энергии, однако с разной энергетической эффективностью. Абсолютные значения экономии электрической энергии по вариантам изменяются в зависимости от типа и количества используемых альтернативных энергоносителей.

Рис. 1.3. Экономия электрической энергии при применении альтернативных энергоносителей в ДСП

21

Использование альтернативных энергоносителей приводит к изменению статей теплового баланса процесса и суммарной энергоемкости энергоносителей Ээнерг, ГДж/т, при выплавке стали в ДСП (рис. 1.4). Особенно большое изменение Ээнерг, т.е. существенное возрастание суммарных энергетических затрат на процесс, отмечается в варианте с использованием жидкого чугуна, что связано с его высокой исходной энергоемкостью.

Таким образом, при использовании различных произведенных энергоносителей в сталеплавильных процессах энергетические затраты Ээнерг и энергетические КПД процесса различаются.

Рассмотрим подобную задачу в условиях применения альтернативных энергоносителей в ДСП в целях экономии электрической энергии.

По исходным данным работы [6] провели оценку изменения значений суммарного количества теплоты, вводимой в рабочее простран-

ство 100-тонной ДСП (Qтепл, ГДж/т), и суммарной энергоемкости энергоносителей Ээнерг при использовании альтернативных энергоно-

сителей в процессе плавки металла в электродуговой печи. Рассмотрели три варианта изменения расходов основного (электрическая энергия) и альтернативных (кислород, природный газ, коксик) энергоносителей; значения энергоемкости процесса рассчитаны с учетом только энергоносителей (табл. 1.6):

22

• вариант I («нулевой») – без альтернативных источников; расход

электрической энергии составляет 630 кВт·ч/т (Ээнерг = 7,119 ГДж/т;

Qтепл = 2,268 ГДж/т);

• вариант II – расход электрической энергии равен 420 кВт·ч/т; расход природного газа – 8 нм3/т, кислорода – 30 нм3/т, коксика –

2,0 кг/т (Ээнерг = 5,286 ГДж/т; Qтепл = 2,311 ГДж/т);

• вариант III – расход электроэнергии равен 320 кВт·ч/т, расход природного газа – 10 нм3/т, кислорода – 45 нм3/т, коксика – 14 кг/т (Ээнерг = 4,631 ГДж/т; Qтепл = 2,280 ГДж/т).

Таблица 1.6

Изменение энергоемкости энергоносителей и количества теплоты, вводимой в ДСП

* Энергоемкость электрической энергии рассчитана при ηТЭС = 0,32.

Суммарная энергоемкость энергоносителей Ээнерг в процессе постоянно снижается: вариант I – 7,119, вариант II – 5,286, вариант III – 4,631 ГДж/т. Расчетные значения количества тепловой энергии, вводимой в рабочее пространство ДСП, остаются практически неизменными: для вариантов I, II, III – 2,268, 2,311, 2,280 ГДж/т соответственно, что обеспечивает нормальное проведение процесса. Отмеченное снижение суммарных энергозатрат процесса в ДСП при применении альтернативных источников энергии и прежде всего кислорода с коксиком, инжектируемых в ванну, объясняется получением при этом варианте более высокого значения ηΣ процесса.

В черной металлургии широко используют разные виды энергоносителей, различающихся не только энергоемкостью (тепловым эффектом при сжигании), но и ценой. Экономическая эффективность применения энергоносителей в сталеплавильных процессах определяется стоимостью единицы тепловой энергии данного энергоносителя (руб/ГДж) и тепловым КПД агрегата, т.е. степенью полезного использования теплоты вводимого энергоносителя. В табл. 1.7 приведены расчетные значения удельной стоимости те-

23

пловой энергии для энергоносителей, используемых в России (по ценам на 2005 г.).

Таблица 1.7

Расчетные значения удельной стоимости энергоносителей и тепловой энергии при 100%-ном усвоении теплоты в агрегате

*1 Угар Fe при этом варианте может достигать 5 %.

*2 Стоимость 1 т чугуна принята с учетом вычета из нее стоимости лома в качестве металлошихты.

Из представленных данных следует, что в принятых условиях экономически наиболее выгодно применение в металлургии природного газа или природного газа с мазутом. Однако для более полной оценки экономической эффективности использования различных энергоносителей необходимо учитывать значения энергетических КПД сталеплавильных агрегатов. т.е. учитывать степень полезно усваиваемой теплоты в агрегате. Это может внести существенные коррективы в расчеты.

Ориентировочные значения расчетной стоимости энергоносителей в себестоимости стали в отечественной металлургии с учетом энергетического КПД сталеплавильных агрегатов приведены в табл. 1.8.

Из данных табл. 1.8 следует, что наиболее дорогостоящим энергоносителем является электрическая энергия и экономически выгодно по возможности заменять ее на альтернативные источники энергии – природный газ, вводимый с помощью ТКГ, или газообразный кислород и угольный порошок (коксик), вдуваемые в ванну. При ис-

24

пользовании альтернативных энергоносителей необходимо учитывать изменение не только суммарной энергоемкости процесса и количества выбросов СО2 (рис. 1.5), но и изменение стоимости энергоносителей в суммарной себестоимости продукции.

Таблица 1.8

Удельная стоимость энергоносителей в себестоимости стали, получаемой в различных сталеплавильных агрегатах (qпол = 1,6 ГДж/т)

* ДСП без использования альтернативных энергоносителей, т.е. работа только на электрической энергии.

Изменение стоимости энергоносителей в суммарной себестоимости стали следует из зависимости

Wэл.энерi – экономия электрической энергии, кВт·ч/т;

25

На рис. 1.6 приведены результаты расчетов изменения себестоимости стали только за счет использования альтернативных энергоносителей в вариантах 2–5 при принятых значениях расхода и стоимости альтернативных энергоносителей.

Для большинства представленных вариантов применение альтернативных энергоносителей, как правило, приводит к снижению себестоимости стали. Исключение составляет только вариант 4 – продувка низкоуглеродистого металла газообразным кислородом, при котором отмечается повышенный угар железа.

Окончательно экономическую эффективность использования энергоносителей в сталеплавильном производстве можно оценить по соотношению стоимости прокатной продукции к ее энергоемкости (руб/ГДж).

Результаты расчетов отношения цены реализованной на рынке прокатной продукции (долл/т) к количеству теплоты, израсходованной на ее производство (ГДж/т) [7] приведены на рис. 1.7.

26

Рис. 1.7. Отношение цены прокатной продукции к единице затраченной теплоты: 1 – чугун; 2 – арматурная сталь; 3 – слябы; 4 – блюмы; 5 – конструкционный профиль; 6 – пруток; 7, 8 – рулон горяче- и холоднокатаный; 9 – оцинкованный лист

Экономическая эффективность использования тепловой энергии при производстве прокатной продукции постоянно возрастает для проката с более высокой добавленной стоимостью. Особое положение занимают слябы, что, вероятно, связано со сложившейся на рынке повышенной потребностью в этом виде проката в рассматриваемый период. Прокатная продукция мини-заводов, работающих с ДСП на ломе, экономически более выгодна по сравнению с продукцией интегрированных заводов по показателю эффективности использования энергоресурсов, что объясняется меньшей энергоемкостью проката.

1.3.2. Выбросы диоксида углерода в атмосферу

Одним из основных показателей, характеризующих техногенное воздействие металлургических процессов на окружающую среду, является количество выбросов в атмосферу так называемых парниковых газов и прежде всего – диоксида углерода CO2. В работе [7] количество CO2, выбрасываемого в атмосферу, предложено рассчитывать по количеству углерода, эквивалентному суммарной энергоемкости металлургического процесса, которое вычисляют путем деления суммарной энергоемкости продукции ЭΣ, ГДж/т, на энергоемкость сравнительного топлива (мазута

27

со 100 % углерода), равную 49,5 ГДж/т. Результаты расчетов для различныхсталеплавильныхпроцессовприведенынарис. 1.8 [7].

Рис. 1.8. Расчетная масса углерода, эквивалентная удельной энергоемкости продукции

По расчетному значению количества углерода (кг/т) в соответствии со стехиометрией реакции окисления углерода до СО2 определяют количество образующегося диоксида углерода. Результаты расчетов для различных сталеплавильных процессов даны на рис. 1.9 [7].

Рис. 1.9. Расчетное количество удельных выбросов CO2 по значениям суммарной (■) и настоящей (■) энергоемкости на различных металлургических переделах

28

В табл. 1.9 приведены результаты расчетов суммарной и удельной энергоемкости, а также выбросов CO2 в атмосферу для действующих сталеплавильных процессов в условиях России.

Таблица 1.9

Удельные и суммарные значения энергоемкости и выбросов CO2 в черной металлургии России

Суммарная энергоемкость черной металлургии России, рассчитанная по принятой методике, составила 1660,9·106 ГДж/год, суммарное количество выбросов CO2 в атмосферу – 123,1 млн т/год. При этом следует иметь в виду, что фактические значения энергоемкости черной металлургии РФ и выбросов диоксида углерода могут существенно превышать расчетные, поскольку значения удельной энергоемкости продукции и, соответственно, выбросов СО2 приняты по показателям одного из лучших металлургических предприятий России.

Втабл. 1.10 выполненосравнениетехнико-экономическихиэкологиче- скихпоказателейРоссиииГерманиипоусредненнымзначениямудельной энергоемкости стали, количеству удельных выбросов СО2 и удельному расходуэнергиинаединицуваловоговнутреннегопродукта. [7].

29

Окончание табл. 1.10

1.4.Проблема устойчивого развития

Впоследние годы существенное значение приобрела проблема устойчивого развития (sustainable development), впервые сформулированная на конференции ООН в Рио-де-Жанейро в 1992 г. следующим образом: «Устойчивое развитие – это социально-экономическое развитие в целях обеспечения достаточного уровня жизни нынешнего поколения людей без ущерба для будущих поколений» [9].

Приведенная формулировка носит общий характер и мало применимаприанализевзаимодействияпромышленныхобъектовсокружающей средой. Парадигму «устойчивого развития» применительно к промышленному производству и черной металлургии в частности схематично можно представить в виде треугольника, в вершинах которого расположены три основных и взаимосвязанных показателя работы объекта: энергия, экология, экономика, авцентетреугольника– самобъект.

Энергия (Energy) – совокупный материально-энергетический показатель, учитывающий расход материалов и энергии на производство единицы продукции и выраженный в единицах энергоемкости (ГДж/т). Вклад сырьевых и добавочных материалов в этот показатель учитывается по значениям произведений их удельных энергоемкостей (ГДж/ед.) на расход материалов (ед./т). Учет суммарного параметра «Энергия» в критерии «Экономика», который определяет устойчивость системы, проводится по значениям произведений удельных расходов материалов и энергоносителейнаихстоимость, учитываемыхвсебестоимостиготовойпродукции.

Экология (Ecology) – параметр, определяющий экологическую нагрузку объекта на окружающую среду в виде удельных техногенных отходов (газ, пыль, шламы) на единицу продукции (ед/т), рассчитываемых по материальным балансам процессов или фактическим измерениям и учитываемых в виде штрафных санкций в критерии «Экономика».

30