Министерство  образования и науки РФ

     Федеральное государственное автономное образовательное учреждение

     высшего профессионального образования

     «Национальный исследовательский технологический  университет «МИСиС» 

     НОВОТРОИЦКИЙ  ФИЛИАЛ 
 

     Факультет                            Металлургических технологий

     Кафедра                               Металлургические технологии

     Специальность                    150101 «Металлургия черных металлов» 
 
 

     Реферат

     по  дисциплине: «Ресурсосбережение»

     по  теме: Утилизация вторичных энергетических ресурсов металлургического производства 
 
 

     Выполнил  студент________________________________М.А.Иванова

     Группа____________________________________________МЧМ–07–52

     Проверил_______________________________________Е.П. Большина 
 
 

     Новотроицк 2011 

Содержание 

Введение 3

1 Классификация вторичных  энергетических ресурсов  промышленности 4

2 Характеристика ВЭР  черной металлургии 7

3 Характеристика ВЭР  цветной металлургии 14

4 Особенности утилизации  низкопотенциального  тепла 17

Заключение 23

Список  используемых источников 25 

     Введение 

     Прогрессивное направление и развитие промышленности – создание безотходных производств, по технологии которых используются все элементы производственного  процесса, а также энергия реакции  технологических процессов для  получения полезной продукции.

     Роль  вторичных энергетических (ВЭР) и  материальных (ВМР) ресурсов в металлургии  трудно переоценить. Если энергетические ресурсы формируются непосредственно  на металлургических предприятиях, то материальные ресурсы образуются не только в самой отрасли, но и в  других отраслях производства и потребления.

     Количество  образующихся вторичных энергетических ресурсов достаточно велико. Поэтому  полезное их использование – одно из важнейших направлений экономии энергетических ресурсов. Утилизация этих ресурсов связана с определёнными  затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает необходимость  экономической оценки целесообразности такой утилизации.

     Под ВЭР понимают энергетический потенциал  продукции, отходов, побочных и промежуточных  продуктов, образующихся при технологических  процессах, в агрегатах и установках, который не используется в самом  агрегате, но может быть частично или  полностью использоваться для энергосбережения других агрегатов (процессов).

     Термин  “энергетический потенциал” здесь  следует понимать в широком смысле, он означает наличие определённого  запаса энергии – химически связанного тепла, физического тепла, потенциальной  энергии избыточного давления и  напора, кинетической энергии и др. Химически связанное тепло продуктов  топливоперерабатывающих установок (нефтеперерабатывающих, газогенераторных, коксовальных, углеобогати- тельных и др.) к ВЭР не относятся.

1 Классификация вторичных  энергетических ресурсов промышленности 

     ВЭР промышленности делятся на три основные группы:

     – горючие,

     – тепловые,

     – избыточного давления.

     Горючие (топливные) ВЭР – химическая энергия отходов технологических процессов химической и термохимической переработки сырья, а именно это: – побочные горючие газы плавильных печей (доменный газ, колошниковый, шахтных печей и вагранок, конверторный и т.д.),

       – горючие отходы процессов  химической и термохимической  переработки углеродистого сырья  (синтез, отходы электродного производства, горючие газы при получении  исходного сырья для пластмасс,  каучука и т.д.),

       – твёрдые и жидкие топливные  отходы, не используемые (не пригодные)  для дальнейшего технологической  переработки, 

       – отходы деревообработки, щелока целлюлозно-бумажного производства.

     Горючие ВЭР используются в основном как  топливо и немного (5%) на не топливные  нужды (преимущественно в качестве сырья).

     Тепловые ВЭР – это тепло отходящих газов при сжигании топлива, тепло воды или воздуха, использованных для охлаждения технологических агрегатов и установок, теплоотходов производства, например, горячих металлургических шлаков.

     Одним из весьма перспективных направлений  использования тепла слабо нагретых вод является применение так называемых тепловых насосов, работающих по тому же принципу, что и компрессорный  агрегат в домашнем холодильнике. Тепловой насос отбирает тепло от сбросной воды и аккумулирует тепловую энергию при температуре около 90 °С, иными словами, эта энергия становится пригодной для использования в системах отопления и вентиляции.

     Следует отметить, что пока ещё большое  количество тепловой энергии теряется при так называемом “сбросе” промышленных сточных вод, имеющих температуру 40–60 °С и более, при отводе дымовых газов с температурой 200–300 °С, а также в вентиляционных системах промышленных и общественных зданий, животноводческих комплексов (температура удаляемого из этих помещений воздуха не менее 20÷25 °С).

     Особенно  значительны объемы тепловых вторичных  ресурсов в чёрной металлургии, в  газовой, нефтеперерабатывающей и  нефтехимической промышленности.

     ВЭР избыточного давления (напора) – это потенциальная энергия газов, жидкостей и сыпучих тел, покидающих технологические агрегаты с избыточным давлением (напором), которое необходимо снижать перед последующей ступенью использования этих жидкостей, газов, сыпучих тел или при выбросе их в атмосферу, водоёмы, ёмкости и другие приёмники. Сюда же относится избыточная кинетическая энергия.

     Вторичные энергетические ресурсы избыточного  давления преобразуются в механическую энергию, которая или непосредственно  используется для привода механизмов и машин или преобразуется  в электрическую энергию.

     Примером  применения этих ресурсов может служить  использование избыточного давления доменного газа в утилизационных бес компрессорных турбинах для  выработки электрической энергии [1]. 
 
 
 
 
 

Таблица 1 - Общая  характеристика ВЭР промышленных предприятий

2 Характеристика ВЭР черной металлургии

     Эта отрасль промышленности России занимает первое место по вовлечению вторичных  энергетических ресурсов. Их суммарный  выход в пересчете на условное топливо равен 30-50 млн т/год при  максимально возможном показателе утилизации около 20 млн т.

     На  долю черной металлургии приходится около 40% тепловых и до 80% горючих ВЭР, применяемых в промышленности. Потребности предприятий с полным металлургическим циклом в топливе (без угля для коксования) только на 30-40% покрываются за счет его привоза и на 60-70% — вторичными энергетическими ресурсами).

     По  виду потенциала ВЭР черной металлургии  представлены всеми группами (горючие, тепловые, избыточного давления). К  горючим прежде всего относятся  доменный, конвертерный и коксовый газы. Они же являются высокопотенциальными тепловыми выбросами с температурой от 300 до 1600 °С, а доменный газ обладает также избыточным давлением. Из металлургических печей выносится 30-50 % тепла, охлаждающими элементами воспринимается 8-20 % и до 5 % рассеивается в окружающую среду.

     Наиболее  мощным вторичным энергетическим ресурсом является доменный, или, точнее, колошниковый газ. В частности, за счет его сжигания в газовом балансе металлургических предприятий покрывается 35-45% потребности в теплоте. Характеристика колошникового газа: температура 175-250 °С, выход 1100-2200 м/т чугуна; состав, %: 23-40 CO, 12-22 CO₂, 1,5-6,0 H₂, остальное - азот; теплота сгорания ~4 МДж/м; давление на колошнике до 0,4 МПа.

     Очищенный от пыли колошниковый газ [2] применяется главным образом в доменных воздухонагревателях, энергетических котлах, для отопления коксовых батарей, нагревательных колодцев и печей прокатного производства. В данных случаях реализуется его горючий и тепловой потенциалы. Первый обусловлен горением СО до СО₂.

     Кроме того, доменный газ, обладая избыточным давлением, используется также в  газовых бескомпрессорных турбинах. В 80-е гг. 20 в. себестоимость электроэнергии, вырабатываемой в них, была в 1,5-2,0 раза ниже получаемой на ТЭЦ завода и в 3,0-3,5 раза меньше, чем в единой энергетической системе (срок окупаемости не более двух лет).

     В США, Японии, Великобритании, Франции, Германии имеются десятки газотурбинных установок, работающих на колошниковом газе. Германия, установив, в частности, газовые турбины на всех крупных доменных печах, ежегодно вырабатывает на них до 360 млн кВт-ч электроэнергии.

     К ВЭР доменного производства относится  также теплота отходящих газов  воздухонагревателей, составляющая 15-20% от ее расхода на подогрев доменного дутья. Их температура колеблется в пределах 150-600 °С. Они могут быть использованы для выработки пара, горячей воды или для подогрева доменного газа перед входом в газовую турбину.

     Вторым (после доменного) по значению источником оксида углерода на предприятиях черной металлургии является конвертерный газ. Его усредненный состав при плавке с верхней и нижней продувкой, %: 67-79 СО, 13-16 СО₂, по 0-3 Н₂ и Н₂О, 5-14 N₂. Теплота сгорания газа составляет 8,4-9,2 МДж/м при его температуре на выходе из конвертера 1400-1600 °С.

     Расчеты показывают, что на крупном заводе с производительностью порядка  7 млн т/год конвертерной стали выход газа составляет ~570 млн т/год, или около 130 млн м в пересчете на природный газ (при теплотворной способности последнего на уровне 40 МДж/м³). Таким образом, при выплавке 1 т стали с конвертерными газами выносится энергетический потенциал, равный 17-20 м природного газа.

     На  эффективность использования ВЭР  конвертеров существенное влияние  оказывает способ отвода газов от них. В настоящее время применяют  три варианта:

     - с полным дожиганием СО перед котлом-утилизатором, т.е. с утилизацией физического тепла конвертерных газов и их энергетического потенциала. В этом случае в атмосферу сбрасывается обеспыленный охлажденный газ, содержащий СО₂, О₂, N₂ и пары воды;

     - с частичным дожиганием СО перед котлом-утилизатором (при коэффициенте а расхода воздуха, равном 0,3-0,6) и полным его сжиганием на «свече» при сбросе газов в атмосферу. В данном варианте используется их физическое тепло и, частично, энергетический потенциал;

     - без дожигания СО перед котлом-утилизатором и его сжиганием на «свече» при сбросе газов в атмосферу (отечественная практика) или применением в качестве топлива (иностранный опыт). В первом случае утилизируется лишь их физическое тепло (при а = 0).

     В любом из рассмотренных вариантов  очистка газов производится после  их использования в котле-утилизаторе.

     Схема утилизации тепла конвертерных газов  с полным их дожиганием перед к/у  применяется для агрегатов с  емкостью садки по стали до 150 т. Сжигание осуществляется в газоходах паровых котлов. В этой схеме серийные котлы-утилизаторы, или ОКГ (охладители конвертерных газов), имеют производительность по пару 160-210 т/ч при его пиковом давлении до 5 МПа.

     В связи с внедрением в промышленность большегрузных конвертеров емкостью до 400 т стали и связанным с этим увеличением объема вдуваемого кислорода количество выделяющихся газов значительно возрастает. Их дожигание приведет к такому росту объема продуктов сгорания, который существенно увеличит габаритные размеры и стоимость всей установки. В этих условиях рациональной является система газоотвода без дожигания.

     В котлах ОКГ-400 (цифра - масса садки  металла в конвертере) паропроизво-дительность  достигает 325 т/ч (в максимальном режиме).

     Полагают, что системы ОКГ без дожигания  целесообразны также для конвертеров с донной и комбинированной продувкой [3].

     Охлажденный в ОКГ и очищенный конвертерный газ может улавливаться (направляться в газгольдер). В этом случае, в  соответствии с иностранной практикой, газ поступает в струйные охладители и полые скрубберы, затем в трубы Вен-тури и далее в центробежные скрубберы (мокрые циклоны), после которых попадает в газгольдер. Такие системы улавливания конвертерного газа с усреднением его состава и расхода в газгольдерах (мокрых или сухих) и последующим использованием в качестве топлива весьма распространены за рубежом. В Японии ими оборудовано около 90% работающих конвертеров.

     Мокрые  газгольдеры представляют собой емкость для воды, над которой размещен резервуар телескопической конструкции (верх ее способен подниматься, увеличивая объем резервуара).

     В сухих газгольдерах поршень поднимается и опускается в результате изменения объема газа. Его верхнее положение соответствует полному заполнению газгольдера.

     Вместимость газгольдеров составляет от 30 до 70 тыс. м при производительности конвертеров 150-330 т.

     Отметим, что на отечественных заводах  конвертерный газ не улавливается.

     В целом его энергетический потенциал  в настоящее время используется лишь частично и только в самом  конвертерном производстве. В качестве причин, сдерживающих полную утилизацию этого газа, обычно указывают нестабильность его выхода, изменяющийся по ходу плавки состав, взрывоопасность при содержании в нем 12,5-75 % СО.

     Коксовый  газ - третий крупный источник горючих ВЭР черной металлургии. Из 1 т сухой шихты, помимо 750-800 кг кокса, получают 320-330 м коксового газа, а также 33 кг каменноугольной смолы, 80 - подсмольной воды, 11 - сырого бензола, 3 - аммиака, которые перерабатывают в химические продукты. Из искусственных газообразных топлив (доменного, смешанного, конвертерного, генераторного) коксовый газ обладает наибольшей теплотой сгорания (свыше 17 тыс. кДж/м³).

     Следует отметить в целом высокий выход  ВЭР в коксохимическом производстве (около 80 % от первичного энергопотребления). Это прежде всего энергетический потенциал коксового газа, выполняющего функции теплового и горючего ВЭР, а также физическое тепло кокса (тепловой ВЭР, не относящийся к газовым).

     Потенциал коксового газа как теплового  ВЭР определяется тем обстоятельством, что он покидает печь с температурой 700-800 °С и его теплосодержание составляет около 1000 МДж/т кокса, или до 30 % расхода тепла.

     Физическую  теплоту коксового газа отбирают на разных стадиях охлаждения: в стояках коксовых камер - от 700-800 до 400 °С; в газосборниках - от 400 до 82 °С; в первичных холодильниках - от 82 до 30 °С. Используется теплота первой и третьей стадий.

     Для утилизации теплоты первой стадии стояки оборудуют теплообменниками, через которые в замкнутом контуре циркулирует теплоноситель. Его теплота может направляться для получения пара, горячей воды, нагрева органических теплоносителей. Теплота третьей стадии охлаждения применяется для подогрева улавливающих растворов цеха сероочистки коксового газа.

     Физическая  теплота кокса, выгружаемого из камеры, составляет порядка 50 % от расходуемой на коксование. Ее утилизируют при сухом тушении кокса, т.е. охлаждении последнего в камере циркулирующим инертным газом (азотом). Нагревшись до 750-800 °С, газ поступает в теплообменник вторичного теплоносителя (паровой котел, воздухо- или газоподогреватель, подогреватель угольной шихты или сочетание различных теплоиспользующих аппаратов и силовых установок).

     Наибольшее  распространение получило сухое  тушение кокса с подачей теплоты в котельные установки для выработки пара (давление в перегретом состоянии до 39 МПа, температура 440 °С). Охлажденный до 150-170 °С газ очищается в циклонах от пыли и возвращается в камеру тушения.

     Сухой способ тушения позволяет утилизировать  более 80 % теплоты раскаленного кокса.

     После охлаждения в системе отбора теплоты  коксовый газ проходит сложную систему очистки от смол, аммиака и бензола. После этого его отправляют в газгольдер, а оттуда потребителю топлива - непосредственно или через газосмесительную станцию [4].

     Основной  потребитель коксового газа как  горючего ВЭР - металлургическое производство. В первую очередь он используется для нагревания мартеновских печей и агрегатов термообработки металла. При достаточном количестве его применяют также в нагревателях коксовых батарей. В этом случае продукты сгорания на выходе из генератора имеют температуру 260-350 °С, унося 15-20 % подведенной теплоты. На некоторых предприятиях она расходуется на получение горячего воздуха для подогрева затворов угольной башни в зимнее время.

     Структуру потребления коксового газа в  качестве горючего ВЭР иллюстрируют данные по Японии, добившейся существенных результатов в его утилизации. В этой стране из общего годового потребления коксового газа (~10 млрд м ) на обогрев коксовых печей расходуется около 22 %, в металлургическом производстве - 56, в городских отопительных системах - 10, на ТЭЦ – 8 % и т.д. [5] В ней же энергию коксового газа довольно широко используют в газовых турбинах, соединенных в одном цикле с генераторами электрического тока.

     Еще одним крупным источником горючих  ВЭР является газ закрытых ферросплавных печей. Его выход составляет 400-800 м /т сплава при концентрации СО в нем 70-90 %. После мокрого пылеулавливания на некоторых отечественных заводах он утилизируется как топливо, но в большинстве случаев сжигается на свечах.

     Помимо  рассмотренных выше наиболее крупных  горючих и тепловых ВЭР можно  отметить наличие ряда других источников, преимущественно тепловых. Это газы агломерации, обжига известняка и окатышей, мартеновских, электросталеплавильных, ваграночных, металлонагрева-тельных печей, колодцев прокатного производства и др. Их температура колеблется от 800-900 °С в печах с регенераторами до 900-1200 °С в термических, прокатных и кузнечных устройствах (без регенерации).

     Теплота уходящих высокотемпературных газов  таких мощных промышленных агрегатов может быть использована газотурбинными установками, встроенными в газовый тракт для выработки электроэнергии и подачи газа и воздуха в печь. Для более полной утилизации теплоты уходящих газов за теплообменниками газотурбинных установок обычно устанавливают котел-утилизатор, поскольку температура продуктов сгорания еще значительна (~450-500 °С). Он позволяет вырабатывать пар высоких параметров для технологических или энергетических нужд.

     Поскольку температура газов после котла-утилизатора  достаточна высока (порядка 200-250 °С), их теплоту целесообразно использовать для коммунально-бытовых нужд, включая отопление (нагрев воды).

     Резюмируя, отметим высокий уровень утилизации ВЭР черной металлургии, который  уже в 1975 г. составлял более 96 %, а на некоторых предприятиях приближался к 100 % [6]. 

     3 Характеристика ВЭР цветной металлургии 

     Эта отрасль, как никакая другая, отличается разнообразием технологических  процессов и оборудования: к ней  относится производство не менее 70 элементов, а также многих сплавов. Данное обстоятельство предопределяет в несколько раз большее количество основных технологий и типоразмеров оборудования.

     В связи с изложенным рассмотрение утилизации ВЭР цветной металлургии  ограничивается здесь технологиями производства тяжелых цветных металлов, прежде всего меди, где этой проблеме традиционно уделяется большое  внимание.

     Очевидно, что отходящие газы плавильных и  нагревательных печей, конвертеров, вельцпечей, шлаковозгоночных установок, агломерационных машин и других агрегатов металлургии тяжелых цветных металлов различны по составу, температуре, количеству уносимого тепла, доле потерь его в тепловом балансе агрегата, непрерывности поступления, присутствию в газах горючих веществ, запыленности, агрессивности, токсичности и др.

     Обычная температура уходящих газов наиболее крупных печей медеплавильных заводов составляет: шахтных 100-600 °С, в кипящем слое 800-900, отражательной и кислородно-взвешенной плавки 1200-1400 °С. Эти тепловые источники отличаются большим выходом и концентрацией энергии, часто стабильны в поступлении. Вместе с тем их характеризует большая запыленность и агрессивность, что создает трудности при утилизации.

     Большое распространение традиционно имеет  использование тепла отходящих газов плавки на штейн. Здесь наиболее эффективной является двухступенчатая утилизация: к/у и за ними воздухоподогреватели.

     Можно выделить две группы процессов плавки на штейн: неавтогенные и автогенные.

     К неавтогенным относятся традиционные способы плавки в отражательных, шахтных и электрических печах. В этой группе доминирует отражательная  плавка.

     Газы  отражательных печей медеплавильных заводов являются одним из основных вторичных энергоресурсов. Их физическое тепло составляет 60-65% от тепла топлива, расходуемого печью. Состав газов, %: 15-18 СО₂; 0-1 СО; 0,5-2,0 SO₂; 0,5-3,0 О₂ (остальное - азот). Их температура 1150-1250°С.

     Котлы-утилизаторы, стоящие за большинством отражательных  печей, повышают коэффициент полезного использования тепла с 15-25 до 50-60 %. Так, один из первых трубчатых вертикальных рекуператоров, установленный за отражательной печью Кировградского медеплавильного завода, позволил подогревать 85 % воздуха, поступающего на горение топлива, до 230-280 °С. Это предопределило увеличение на 15 % проплава и снижение на 7,5 % удельного расхода топлива печи.

     В группе автогенных наибольшее распространение  получил процесс взвешенной плавки, предусматривающей применение подогретого до 500-550 °С воздуха. Одна из современных конструкций котла-утилизатора для печи взвешенной плавки введена в эксплуатацию в 1999 г. на заводе г. Аделаиды (Австралия). В котле предусмотрена специальная система очистки от налипающих частиц пыли. Его основные технические данные: масса 450 т, масса арматуры 640 т, длина вместе с арматурой 56 м, высота 40, ширина 12 м, температура входящих газов 1450 °С, выходящих 380 °С, производительность по пересыщенному пару более 60 т/ч, его давление 60 бар [7].

     По  схеме печь - котел-утилизатор - воздухонагреватель используется также тепло отходящих  газов медерафинировочных печей.

     При обжиге медных концентратов, особенно в кипящем слое, выделяется большое  количество избыточного тепла, которое  поступает для выработки пара в котлах-утилизаторах. Наилучший  отъем тепла из КС достигается при применении высококипящих теплоносителей, однако на практике чаще всего теплоносителем служит вода.