3.3. Энерготехнологическое комбинирование в доменном производстве

Схема комбинированной установки сжатия и нагрева доменного дутья [5], конвертирования природного газа и выработки пара электроэнергетических параметров представлена на рис. 30.

Из доменной печи газ поступает на сухую газоочистку 2, затем с параметрами t = 200 ºC, Р = 0,35 МПа и Q_н = 4,5 МДж/м³ разделяется на два потока. Один поток направляется в установку комбинированного сжатия и нагрева доменного дутья, второй — в установку для углекислотной конверсии природного газа 3 Конвертированный газ в качестве заменителя части кокса поступает в доменную печь. Доменный газ, предварительно смешавшись в эжекторе 8 с воздухом из компрессора 5, сжигается в каупере 7. Продукты сгорания из кауперов направляются в рекуперативный воздухоподогреватель 6 и далее на газовую турбину 4, являющуюся приводом компрессора доменного дутья и воздуха для горения. Выхлопные газы после газовой турбины направляются в котел-утилизатор 9, а затем через дымовую трубу 10 удаляются в атмосферу.

Рис. 30. Схема комбинированной установки сжатия и нагрева доменного дутья, конвертирования природного газа и выработки пара электроэнергетических параметров:

1 – доменная печь; 2 – сухая газоочистка; 3 – конвертер; 4 – газовая турбина; 5 – воздушный компрессор; 6 – рекуперативный воздухоподогреватель; 7 – регенеративный воздухоподогреватель; 8 – эжектор; 9 – котел-утилизатор; 10 – дымовая труба

Сжатый воздух из компрессора с параметрами Р_к = 0,5 МПа, t_к = 210 ºС в распределительном коллекторе разделяется на два потока. Один поток (холодное дутье») G₁ направляется для нагревания в рекуператор, а затем в каупер, второй — G₂ в качестве воздуха для горения направляется в топку каупера. В результате дожатия в эжекторе доменного газа компрессорным воздухом давление продуктов сгорания под куполом каупера повышается до 0,385 МПа.

Расчет тепловой схемы

1. Расчет каупера

На сжигание поступает доменный газ с расходом В. При сжигании образуются продукты сгорания с температурой t₁. Температура t₁ задается из условия стойкости свода каупера и не должна превышать 1500 С.

, (38)

где  теоретический расход воздуха;  объем продуктов сгорания в каупере;  теплоемкости воздуха и продуктов сгорания; - низшая теплота сгорания доменного газа;  температура сжатого воздуха после компрессора;  температура доменного газа;  предельно допустимая температура продуктов сгорания;  искомый избыток воздуха, обеспечивающий допустимую температуру. Объем продуктов сгорания связан с коэффициентом избытка воздуха соотношением . Преобразуя уравнение (38), получим:

. (39)

За счет теплоты продуктов сгорания в каупере осуществляется подогрев воздуха, идущего в доменную печь. При этом расход подогреваемого воздуха составляет G₁. На горение подается воздуха с расходом G₂. Расход воздуха на горение и расход продуктов сгорания связаны с расходом доменного газа соотношениям

G₂=ВV⁰; .

Тепловой баланс подогрева дутья в каупере имеет вид

. (40)

где  температуры воздуха до и после каупера. Заданной технологией величиной является расход воздуха, который требуется подогреть в каупере. Температура воздуха на входе в каупер  это температура воздуха на выходе из промежуточного рекуперативного воздухоподогревателя.

2. Баланс рекуперативного воздухоподогревателя

Он имеет следующий вид:

, (41)

где  температура воздуха после компрессора;  температура продуктов сгорания перед газовой турбиной.

3. Баланс ГТУ

Компрессор сжимает атмосферный воздух, повышая его давление от Р₀ до Р_к. Р₀ = 0,1 МПа; Р_к = 0,5 МПа, т.е. степень сжатия компрессора равна π = 5. Далее воздух в эжекторе смешивается с доменным газом, при этом давление продуктов сгорания возрастает до ~0,385 МПа, продукты сгорания расширяются в турбине от давления 0,385  0,1 МПа. Искомой величиной при расчете газотурбинной установки (ГТУ) является расход доменного газа, необходимый для привода турбины, т.е. мощности турбины должно хватить для привода компрессора.

Рассмотрим цикл ГТУ (рис. 31).

Рис. 31. Цикл ГТУ:

0-К – адиабатное сжатие в компрессоре; К-3 – изобарный подвод теплоты; 3-4 – адиабатное расширение в газовой турбине; 4-0 – изобарное охлаждение продуктов сгорания

Докажем, что отношение T₄/T₀=T₃/T_к:

.

Тогда

,

где T₀/T_к – отношение температур в процессе сжатия в компрессоре. Поскольку воздух  это идеальный газ, то из уравнения адиабаты можно заменить

, (45)

где   степень сжатия в компрессоре для данной схемы равна  = 5; к – показатель адиабаты, для воздуха равен к = 1,4. Подставляя (45) в выражение для КПД получим в окончательном виде

, (46)

где

Расход доменного газа, необходимый для сжатия воздуха с расходами G₁ и G₂ составит:

,

где η_м – механический КПД ГТУ.

Расход воздуха на сжигание доменного газа и расход продуктов сгорания связаны с расходом топлива соотношениями , . Отсюда получаем выражение для расчета расхода доменного газа

. (47)

Температура воздуха после компрессора находится из уравнения адиабаты

(48)

Перепад температур в газовой турбине также определяется из уравнения адиабаты

. (49)

Электрическая мощность определяется из баланса

. (50)