УДК 662.76

Снижение уровня потребления природного газа в котельной установке Е-500-13,8-560 за счёт потребления собственных газов (Доменного и Коксового)

Касумов Роман Бахтиярович – студент магистратуры по направлению "Теплоэнергетика и теплотехника" Череповецкого государственного университета

Научный руководитель Антонова Юлия Валерьевна – кандидат технических наук, доцент кафедры "Теплоэнергетика и теплотехника" Череповецкого государственного университета 

Аннотация: В представленной работе проведен анализ актуальных исследований в области совершенствования энергоэффективности работы котельной установке Е-500-13,8-560. Выдвинута гипотеза, что после преобразования конструкции выпускного отверстия воронки последует перераспределение системы потребления газа. Проведен анализ вероятных последствий таких изменений в конструкции, который показал, что работа котельной установки не изменится с переходом на топливо из доменного или коксового газов, что экономически оправдывает проведение изменений в конструкции. Также такое преобразование позволит снизит выбросы в атмосферу, что является актуальным в области экологии и защиты окружающей среды.

Ключевые слова: потребление газа, энергоэффективность, паровые котлы, снижение потребления, оптимизация.

Введение

В России, вопросы потребления и выбросов газа в атмосферу относятся не только в бытовой сфере, но, в первую очередь, к промышленной. Именно в процессе циркуляции топлива в котлах осуществляется работа ключевых производств, таких как сталелитейные заводы [5, с. 35-39].

Актуальность изучения возможностей по снижение уровня потребления природного газа в котельной установке подтверждается несколькими факторами: мировыми тенденциями, нацеленными на сокращение энергопотребление, экономическими потребностями самих предприятий, так как переход на энергоэффективные технологии позволит сокращать расходы и повышать доходы, а также требованиями времени.

Ключевой задачей исследования можно обозначить изучение возможностей котельной установке Е-500-13,8-560 работать за счёт потребления собственных газов (Доменного и Коксового).

Для ее достижения, необходимо, в качестве опорных методов использовать такие подходы, как описание свойства самих газов (доменного и коксового), изучение свойств котельной установке Е-500-13,8-560, рассмотрение вариантов оптимизации работы по потреблению собственных газов, а также моделированию процесса.

Анализ актуальной литературы по теме

Доменный газ (ДДГ), коксовый газ (COС), являются остатками процессов, связанных с производством стали, и в некоторой степени схожи с синтез-газами. ДДГ содержит около 20–30% монооксида углерода (CO) и около 2–6% водорода (H). Из-за высокого содержания инертного газа и без того относительно низкой теплоты сгорания основного горючего компонента СО он имеет низкую теплоту сгорания в пределах 3-4. Вследствие низкой теплотворной способности и низкой реакционной способности основного горючего компонента CO реакционная способность доменного газа очень низкая [1, с. 8-9].

COС содержит около 5% монооксида углерода (CO), около 55% водорода (H), около 25% метана (CH4 ) и около 3% высших углеводородов в качестве горючих компонентов. Кроме того, он содержит около 10–12 % азота (N 2 ) и около 2 % углекислого газа (CO 2 ), а также примеси (H 2 S, HCN, CS 2 , HG, Cd и др.). Из-за относительно высокого содержания водорода (H 2) и метана (CH 4) он имеет более высокую теплотворную способность и индекс Воббе по сравнению ДДГ. Как следствие, можно увидеть, что авторы склонны указывать на то, что пониженная теплотворная способность этих газов, по сравнению со стандартными видами топлива приводит к увеличению массовых расходов топлива и необходимости использования более крупной топливной системы [4, с. 215-221].

В то же время, в публикациях можно встретить информацию, что доменный и коксовый газы производятся с высокими скоростями, поэтому перенос пыли и песка значителен. Для промышленного применения в этих газах желательно удалять пыль и песок как можно более полно (во избежание загрязнения трубопроводов, клапанов, горелок и продуктов) при одновременном охлаждении до минимума для сохранения явного тепла. В некоторых случаях можно избежать очистки, как у производителей ступенчатых решеток, для газового ретортного отопления или котлов [3, с. 487-493].

Рассматривая вопрос работы котлов, необходимо учитывать и то, что котельные установки направлены на работу с высокими температурами, конвертируемыми за счет пароперегревателей и воздухоперегревателей.  Регулируется данный процесс впрыском конденсата, который скапливается на боковых станках топки. Но, есть мнение, что работа таких установок зависит от компоновки нагрева [10, с. 121-131], либо от потока материалов [9, с. 182-200].

В рамках последнего, считается, что за счет метода дискретных элементов, который широко используется для моделирования потока материала в различных частях печи и работы котлов, можно увеличить потенциал для оптимизации проницаемости. Неотъемлемая вычислительная нагрузка является основным спорным моментов при использовании этого метода для подробного описания различных гранулированных явлений в работе котлов в промышленном масштабе [6, с. 166-183].

В литературе предлагаются следующие рекомендации по распределению нагрузки относительно работы котлов:

  1. В зоне сцепления должно быть минимальное количество и размер коксовых щелей, чтобы обеспечить достаточный проход газа к верхним слоям. Также важно иметь коксовые щели одинакового размера, чтобы поток газа был равномерным в радиальном направлении [7, с. 117-155].
  2. Каждый слой топлива (угля или газа) должен иметь достаточную и равномерную плотность в радиальном направлении, чтобы обеспечить достаточный приток газа к последующей ступени. В целом возможность обратной тяги увеличивается с нарастанием давления. Однако, поскольку сталелитейная промышленность сталкивается с растущим давлением необходимости минимизировать выбросы углекислого газа, толщина слоя кокса в современных условиях минимизируется, насколько это возможно. Угольная пыль впрыскивается вместе с дутьем для снижения расхода. Для сохранения проницаемости в связной зоне в рудную нагрузку добавляют топливо в виде мелкого (орехового) кокса [8. 1003-1033].
  3. Для оптимизации энергопотребления слои железа должны быть как можно более тонкими для улучшения контакта газ-руда и иметь одинаковую толщину по радиусу. Кроме того, из-за морфологических различий различные типы руды должны быть равномерно распределены, чтобы обеспечить однородную структуру упаковки и, следовательно, равномерный поток газа через слой. Другая (возможно, более важная) причина однородного распределения руд — различия в химических свойствах. Поскольку руды достигают точки плавления при разных температурах, неравномерное радиальное и окружное распределение в верхней части печи может привести к проблемам с формированием когезионной зоны, форма которой играет важную роль в распределении газового потока [2, с. 38-43].

Т.е. исследования показывают, что необходимо равномерное распределение топлива по слоям, поскольку концентрированное осаждение мелочи приведет к локальному засорению. Эти рекомендации направлены на уменьшение пространственно разделенных областей сильного и слабого потока газа по всему насадочному слою. Однако на практике котлы, используемые на производстве, не стремятся к этом.

Потому, можно отметить, что на сегодняшний день вопросы питания котлов их выработка газов, а также возможность работы за счет сгорания продуктов собственного производства находятся в начальной стадии разработки.

Возможности котельной установке Е-500-13,8-560 снизить потребление природного газа за счёт потребления собственных газов (Доменного и Коксового)

Сама котельная установка Е-500-13,8-560 – уникальна, так как имеет возможности работать как на углях, так и на газах. Как результат, вид топлива определяет и конструкцию горелок, и схему расположения последних в топке. В стандартной комплектации котел снабжен ступенчатой системой сжигания того или иного вида топлива, которое преобразуется преимущественно за счет эндотермических химических реакций, происходящих между восходящим горячим газом, который впрыскивается. через фурмы в нижней части печи и нисходящий насыпной слой сырья (вместе называемого «шихтой»). Могут иметь изгибы труб малого и большого радиуса. Обычно гибка выполняется в мастерской проектировщика/изготовителя.

В зависимости от стратегии эксплуатации операторы котельной стремятся к определенному распределению нагрузки для контроля проницаемости слоя и, следовательно, потока газа по радиусу шахты. Однако, на практике добиться целевого распределения сложно из-за системы взаимодействия гранулярных явлений, возникающих во время зарядки и спуска. Следовательно, существует необходимость исследовать, как материал ведет себя во время эксплуатации и можно ли улучшить распределение нагрузки. Поскольку физические проверки и измерения в реальном времени очень сложны и дороги во время работы котла, требуется более осуществимый подход для прогнозирования истинного распределения нагрузки и того, как оно влияет на возможность снизить потребление природного энергоресурса за счет потребления выпускаемых газов (коксового и доменного).

Выдвигаем гипотезу, что после преобразования конструкции выпускного отверстия воронки последует перераспределение системы потребления газа, за счет чего котел паровой Е-500-13,8-560БТ сможет работать за счет выпускаемых коксового и/или доменного газов. Как отмечалось ранее, в данном ключе оптимальным считается выбор метода дискретных элементов.

Работа со стенками нежелательна, поскольку эрозия стенок самая высокая и использование газа плохое, в то время как операция с центральным потоком газа имеет наименьшую эрозию стенок и лучшее использование газа. Режим плоской работы обеспечивает еще лучшее использование газа, но не обеспечивает такой же степени защиты стен.

Однако, в рамках работы парового котла Е-500-13,8-560БТ, при высоких скоростях, необходимо включить систему отклонение потока выбрасываемого газа за счет использования дополнительного соединительного желоба (также называемой «воронки» или «Y-образной трубки»). Тогда, поток, выбрасываемый из котла будет децентрирован внутри воронки (рисунок 1).

image001 

Рисунок 1. Присоединение к котельной установке Е-500-13,8-560БТ «Y-образной трубки», для создания эффекта обратного потока выпускаемого газа.

При построении модели можно задействовать модуль Юнга на основе закона контакта Герца, где сила (Fn) и вдавливание частиц ( δn ) рассчитываются по формуле:

image002

В данном контексте, значения ℇ, G и δ не зависят от размера и формы материала. Но есть необходимость измерения, с помощью высокоскоростных камер высоты падения ( h d ) и высота отскока ( h r ):

image003

Ожидается, что произойдет отклонение центроида потока материала от центральной линии, это приведет к изменению точки его столкновения с желобом при его вращении, и этот дисбаланс в конечном итоге вызывает неравномерную окружную нагрузку. Распределение по расходу заряженной массы и точке падения материала, что в конечном итоге ведет к перераспределению газа и его повторному использованию.

Для оценки выбросов CO2 используется метод анализа топлива. Это  предполагает определение содержания углерода в сожженном топливе и применение этого значения к количеству сожженного топлива для расчета выбросов CO2. это предполагает определение содержания углерода в сожженном топливе и применение этого значения к количеству сожженного топлива для расчета выбросов CO2:

image004,

где m и v – масса и объем сгоревшего топлива, C i — коэффициент содержания углерода в топливе i, FOi — доля топлива i окисленный, а CO2(mw) и C(mw) - молекулярная масса CO2 и углерод.

При этом, КПД котла, работающего на газу рассчитываем по формуле:

image005

ms представляет собой массовый расход пара, производимого котлом, hs, hw, соответственно представляют массовый расход и объемный расход природного газа, поступающего в котел. Потери представляют собой тепло, выходящее из котла через дымовые газы (доменный и/или коксовый):

QLosses(%)= (Tf-Ta)image006,

где χ – коэффициент, привязанный к типу топлива, δО2 — процентное содержание кислорода в дымовом газе, а Tf и Ta — соответственно температура дымовых газов и воздуха.

Для подтверждения рентабельности использования собственных газов (доменного и/или коксового) необходимо выстроить линию безубыточности по цене производства массовой единицы пара при тех же эксплуатационных затратах:

Ms_ NG1 *LHV NG1 *ηb_ NG1 =VS_NG* ηb_NG,

MS_ NG1 *P NG1 =VS_NG*PNG

P NG = LHV NG1*ηb_HFO/LHV NG* ηb_NG* PNG

Где, Ms_ NG1 и VS_NG – соответственно масса и объем расхода природного газа на единицу произведенного пара, PNG1  и PNG соответственно, цены на выхлопные и природный газы.

Экономический эффект определяется на основе общего объема газа, проданного для промышленного термического использования. Если произвести перераспределение системы потребления выпускаемых при работе газов (доменного и/или коксового), то общий экономический эффект от преобразования конструкции парового котла Е-500-13,8-560БТ окажется более значительным, чем существующие в настоящее время расходы топлива.

Следовательно, необходимо отрегулировать конструкцию выпускного отверстия воронки для обеспечения более центрированного потока шихты через выпускное отверстие воронки с целью уменьшения дисбаланса по окружности.

Вывод

Подводя итог, можно отметить, что перевод котла, работающего на природном газе, на повторное использование выпускных газов (коксового и/или доменного), требует некоторой модификации и настройки оборудования, основной из которых является использование Y-образной воронки и ее вспомогательной газовой горелки и ее оборудования. 

 Оценка энергетических параметров, включая тепловой КПД и температуру дымовых газов, ясно показывает, что режим сжигания производимых газа дает лучший параметр. Важно отметить, что котлы, работающие на природном газе, имеют преимущество с точки зрения эксплуатационных расходов. А если учесть предложенную оптимизацию модели котла Е-500-13,8-560БТ, то экономическая выгода превысит все расходы на внесение конструкционных изменений.   

Безусловно, представленная модель требует лабораторных испытаний и дальнейших, более точных расчетов, ожидается, что использование технологий отклонения и смены направления газов повлияет на распределение нагрузки и, как следствие, на возможность котла Е-500-13,8-560БТ работать за счет выбрасываемого коксового или доменного газов. 

Список литературы

  1. Креведков А.В. Котлы паровые барабанные с естественной циркуляцией. ОАО ТКЗ «Красный котельщик». Изд.  ФАКЕЛ. г. Таганрог. 2020. 60 с.
  2. Нурбосынова Ж.Н. Разработка сценариев снижения выбросов парниковых газов на предприятиях нефтегазового сектора до 2030 года // Коллоквиум-журнал. 2023. № 30 (189). С.38-43. DOI: 10.24412/2520-6990-2023-30189-38-43.
  3. Овешникова Л.В., Сибирская Е.В. Характеристика направлений развития российской газовой сферы (отраслевой анализ и прогнозирование) // Россия: тенденции и перспективы развития. 2022. № 17-1. С.487-493.
  4. Садунова А.Г., Назарова О.Е. Роль возобновляемых источников энергии и природного газа в структуре потребления энергоресурсов // Инновации и инвестиции. 2021. № С.215-221.
  5. Федорова В.А., Збоевская Д.П. Эволюция рынков природного газа: современное состояние, риски и возможности // Инновации и инвестиции. 2023. № С.35-39.
  6.  Abhale P. B., Viswanathan N. N., Saxén H. Numerical modelling of blast furnace–Evolution and recent trends // Mineral Processing and Extractive Metallurgy. – 2020. – Т. 129. – № 2. – С. 166-183.
  7. Chen J. et al. A review of burden distribution models of blast furnace // Powder Technology. – 2022. – Т. 398. – С. 117-155.
  8. Li H. et al. Model-based analysis of factors affecting the burden layer structure in the blast furnace shaft // Metals. – 2019. – Т. 9. – № 9. – С. 1003- 1033.
  9. Lüngen H. B., Schmöle P. Comparison of blast furnace operation modes in the world //Steel research international. – 2020. – Т. 91. – № 11. – С. 182-200.
  10. Pan Y. et al. Review on improving gas permeability of blast furnace // Journal of Iron and Steel Research International. – 2020. – Т. 27. – С. 121-131.

Интересная статья? Поделись ей с другими: