Струйно-нишевая технология как один из инструментов повышения энергоэффективности в металлургии
/Rusmet.ru, Ольга Фомина/ В условиях кризиса на газовом рынке становится понятно, что дешевого газа уже не будет. Ни в Украине, ни даже в России. Поэтому в металлургической отрасли, одной из наиболее «газоемких» в экономике, ведется постоянная работа по поиску экономичных технологий. Струйно-нишевая технология (СНТ) сжигания газообразного топлива, реализуемая в струйно-нишевых горелках (СНГ) – одна из них. Применение струйно-нишевых горелочных устройств на газоиспользующем оборудовании в металлургической промышленности позволяет уменьшить расход природного газа на 15-55%, а также существенно сократить использование кислорода, что, в свою очередь, влияет на себестоимость выпускаемой продукции. Внедрение струйно-нишевой технологии сжигания топлива на комбинате ОАО «Запорожсталь» уже позволило достичь значительной экономии топлива и полностью подтвердило свою эффективность в металлургическом производстве. На меткомбинате вынужденно перенесли сроки замены мартенов современными конвертерами, однако и устаревшая технология выплавки стали все еще имеет резервы для экономии ресурсов.На пути к эффективностиПри изучении особенностей газоиспользующего оборудования в металлургической промышленности можно выделить ряд факторов, препятствующих эффективному сжиганию топлива. Во-первых, для сжигания газа применяется дорогостоящий кислород, что влияет на себестоимость продукции. Во-вторых, технология сжигания газа имеет низкую эффективность и несмотря на использование кислорода не позволяет сжечь все горючее. В результате этого происходит догорание в отводящих вертикальных каналах, что приводит к неоправданным потерям тепла, высокой температуре уходящего дыма, следовательно, к значительному объему уходящих газов. В-третьих, использование кислорода для сжигания газа неудовлетворительно сказывается на характеристиках металла, так как кислород вступает в активную реакцию.Не стоит забывать и о том, что низкий уровень технологичности сжигания газа обуславливает неупорядоченную структуру факела в объеме печи, что приводит к тепловой неравномерности в объеме, «набросу» факелом свода печи, снижению его (свода) стойкости, неравномерному прогреву металла, увеличению времени плавки. Большое количество присосов в печи также негативно сказывается на температурном уровне, повышает длительность плавки, приводит к большим потерям тепла с уходящими газами и обуславливает критический режим работы газоочистки.Внедрение СНТ дает возможность оптимизировать процессы сгорания. Эффект достигается за счет:• максимально полного сжигания газа, в качестве окислителя используется только кислород атмосферного воздуха;• использования в объеме рабочего пространства полностью всего тепла сгоревшего газа, что снизит температуру и объем уходящих газов, а также снизит потери тепла с уходящими газами;• снижения потерь железа от окисления;• обеспечения высокой равномерности поля температур в объеме агрегата, что приводит к увеличению срока службы свода печи, равномерному прогреву металла, сокращению времени плавки;• значительного снижения расхода топливного газа.Природа технологииСтруйно-нишевая технология сжигания топлива с управляемой структурой течения горючего и окислителя основана на равномерной раздаче газа в потоке воздуха (без привлечения закрутки потока) с образованием устойчивой вихревой структуры, обеспечивающей смесеобразование и стабилизацию горения с самоохлаждением горелочного модуля.В струйно-нишевой системе в широких пределах режимных факторов реализуются устойчивые и легкоуправляемые вихревые структуры с высокой интенсивностью турбулентности потоков горючего, окислителя и зон обратных токов (ЗОТ), обеспечивающие качественное смесеобразование топливной смеси с необходимым уровнем горючей концентрации и надежную аэродинамическую стабилизацию горения. Объем вихрей на несколько порядков меньше, чем у традиционных вихревых ГУ, а эрозионное влияние на амбразуру и другие элементы котла также относительно мало. Малый объем вихрей позволяет проводить пуск и эксплуатацию ГУ с малым расходом газа, что обеспечивает безопасность пуска. Улучшение смесительных свойств ГУ повышает надежность работы при предельно малых коэффициентах избытка воздуха, и, следовательно, при повышенных значениях средней температуры факела в топке.Все вышеописанное позволяет увеличить тепловосприятие радиационной части огнетехнического объекта. Повышение среднего уровня температуры, ее равномерность, вследствие оптимального смесеобразования, сопровождается значительным уменьшением неравномерности локальных тепловых потоков, и, таким образом, приводит к повышению надежности работы оборудования. Одной из особенностей струйно-нишевой системы является малое гидравлическое сопротивление по трактам горючего и окислителя, что дает возможность значительно снизить давление газа и воздуха при эксплуатации ГУ и, как следствие, мощность тягодутьевых устройств.Конструктивно данная схема реализуется при помощи симметричного автономного модуля, позволяющего создавать горелки необходимой мощности за счет наращивания количества и размеров модулей.Определяющим в ГУ СНГ является расположение струйно-нишевой системы на автономном пилоне-коллекторе. Такой горелочный модуль замыкает на себя все стадии рабочего процесса – распределение горючего в потоке окислителя, смесеобразование до необходимого уровня концентрации, воспламенение топливной смеси, стабилизацию факела и формирование концентрационных, скоростных и температурных полей продуктов сгорания, активно самоохлаждается потоками окислителя и горючего и вследствие саморегулируемости не требует дополнительной автоматики управления.Освоение на «Запорожстали»Показательным примером успешного внедрения СНТ в металлургии можно считать ОАО «Запорожсталь». Внедрение новых струйно-нишевых горелочных устройств с целью сокращения потребления природного газа на заводе началось еще в 2005 году. Так, были заменены горелки на первом и втором миксерах, что позволило сократить потребление газа на миксер с 239 куб. м в час до 70-90 при сохранении заданной температуры чугуна и рабочего пространства агрегата, а также снизить образование настылей на носке миксера.Далее на двухванновом сталеплавильном агрегате № 1 (ДСПА-1) при замене старых сводовых газо-кислородных горелок на горелки СНГ удалось достичь сокращения расхода топлива при выплавке стали от 10,3 кг/т до 4,7 кг/т. Кроме этого, следует отметить, что кислород на горелку уже не подается, что позволяет дополнительно экономить 1500 куб. м кислорода в час на одном агрегате. А это еще и экологический эффект, так как снижается потребление кислорода, сжигаемого в печах.На мартеновских печах дополнительно установили новые горелки и в свод печи, что дало возможность добиться перераспределения тепла по всей длине ванны. За счет этого расход топлива удалось снизить от 71,5-89,1 кг/т до 65,2-73,4 кг/т.Резервы экономии искали везде, где были энергозатраты. Например, большая работа была проделана по замене устаревших стендов сушки сталеразливочных ковшей. В результате были запущены 6 новых стендов, оборудованных теплоизоляционными крышками совместно с горелками СНГ. Расход природного газа на сушку сталеразливочных ковшей сократился практически в три раза: от 420-450 до 100-150 куб. м в час. При этом, длительность сушки снизилась с 14-18 часов до 8-12 часов. Соответственно внедрение струйно-нишевых горелок на стенды сушки сталевыпускных желобов мартеновских печей и двухванки позволило уменьшить расход природного газа на сушку с 160-250 до 10-15 куб. м в час при сохранении неизменной длительности сушки.На эти новации в цехе было затрачено много сил и средств. Но уже к 2008 году был заметен результат: использование в цехах струйно-нишевых горелок позволило снизить потребление природного газа на 35,8 млн.. м3 (41,2 тыс. т у.т.) и уменьшить затраты на 22,907 млн. грн.В прошлом, 2009 году эта работа получила дальнейшее развитие. На мартеновских печах №№ 2, 5, 7, 8 и 10 были установлены новые торцевые горелки СНГ. Ранее существовавшие для отопления рабочего пространства торцевые газовые горелки старой конструкции с кислородной конверсией не обеспечивали в полном объеме эффективное сжигание топлива. В связи с большими габаритами печи и расходами природного газа и воздуха процесс перемешивания был недостаточным. Для устранения неполного сгорания топлива в печь подавали повышенный расход воздуха. Кроме того, вышеуказанные конверсионные горелки не обеспечивают необходимую жесткость и длину факела при давлении природного газа менее 2 кгс/см2. Новая струйно-нишевая горелка типа СНГ снижает расход природного газа на 500 м3/час при пониженном давлении в 2-3 раза природного газа. Исследования, проведенные на мартеновских печах, показали, что температура насадок регенераторов увеличилась до 1000оС против 970оС, обеспечивая лучший подогрев регенеративного воздуха, а температура в борове печи возросла до 690оС против 670оС. Давление в печи возросло, снизив подсосы холодного воздуха в печь.Содержание кислорода в уходящих газах снизилось до 5,2% против 11,0%.При этом, происходит полное сгорание топлива в рабочем пространстве печи, так как содержание оксида углерода в уходящих газах составляет 0%. В марте 2009 года на мартеновских печах при работе горелок на давлении газа 1,6-1,7 кгс/см2 достигнута экономия природного газа до 6,6 кг у.т./т.В целом, внедрение струйно-нишевой технологии на огнетехнических объектах металлургической промышленности кроме снижения удельного расхода топлива на единицу продукции и снижения расхода кислорода позволяет:• сохранить работоспособность агрегата при низком давлении без изменения технологического режима,• повысить безопасность работы агрегата,• существенно увеличить межремонтный срок эксплуатации агрегатов и оборудования,• снизить эмиссию вредных выбросов в атмосферу.Так, на комбинате ОАО «Запорожсталь» к настоящему времени достигнут и значительный экологический эффект: за счет использования горелок типа СНГ в мартеновском производстве количество выбросов продуктов горения сократилось на 50% в год.
23 марта 2010
