СТАТЬИ АРБИР
 

  2016

  Декабрь   
  Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
28 29 30 1 2 3 4
5 6 7 8 9 10 11
12 13 14 15 16 17 18
19 20 21 22 23 24 25
26 27 28 29 30 31 1
   

  
Логин:
Пароль:
Регистрация
Забыли свой пароль?


Анализ энергоёмкости и эмиссии co2 при различных сочетаниях коксовых и бескоксовых процессов при производстве стали


Аннотация:

Проведены сравнительные расчеты эмиссии диоксида углерода - парникового газа при различных сочетаниях коксовых (доменная печь - конвертор, доменная печь - электродуговая печь или ЭДП) и бескоксовых (HyL-3-ЭДП, MIDREX-ЭДП, ROMELT-ЭДП, COREX-ЭДП, ЭДП на ломе) процессов с производством стали. Для сравнительной оценки технологических процессов в рамках энерго-экологического анализа рассмотрена как энергоемкость, так и параметр эмиссии парникового газа CO2 - технологическое парниковое число (ТПЧ).

При производстве стали выявлены преимущества по энергоемкости и эмиссии CO2 при использовании лома в ЭДП, процесса ЛП-В, а также процессов HyL-3 + ЭДП, Midrex + ЭДП. Во всех случаях в приоритетных

по энергоемкости и по выбросу парниковых газов оказываются процессы, не связанные с использованием чугуна в производстве стали.

УДК 669.162

Лисиенко Владимир Георгиевич,

доктор технических наук, профессор,

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» e-mail: lisienko AT mail.ru г. Екатеринбург, Россия

Ануфриев Валерий Павлович,

доктор экономических наук, профессор,

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» e-mail: mail AT ucee.ru г. Екатеринбург, Россия

Чесноков Юрий Николаевич,

кандидат технических наук, доцент,

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» e-mail: ch_jur AT mail.ru г. Екатеринбург, Россия

Лаптева Анна Викторовна,

аспирант,

ФГАОУ ВПО «УрФУ имени первого Президента России Б.Н.Ельцина» e-mail: annalapteva AT mail.ru г. Екатеринбург, Россия

Ключевые слова: Металлургия, эмиссия диоксида углерода, металлургический процесс, чугун, сталь.

Актуальность темы определяется основами Стратегии устойчивого развития человечества. Такая стратегия разработана в связи с предельной нагрузкой на природу от человеческой деятельности. В этой связи проблемы экологии приобрели особую актуальность. К экологическим проблемам присоединилась проблема эмиссии парниковых газов (диоксида углерода, метана, закиси азота и др.) которые, влияют на климат земли, вызывая его потепление. С парниковыми газами связано понятие углеродного следа. Упрощенно углеродный след будем понимать как количество образованных углеродосодержащих парниковых газов в сквозном варианте, т.е. в течение всего цикла производства той или иной продукции. Президент Российской Федерации В. Путин от 30 сентября 2013 г. издал указ №752 «О сокращении выбросов парниковых газов». На основании этого указа правительство РФ 2 апреля 2014 г. издало распоряжение с планом мероприятий по обеспечению к 2020 году сокращения объема выбросов парниковых газов до уровня не более 75 процентов объема указанных выбросов в 1990 году. Таким образом, актуальность темы предлагаемой работы подтверждена на государственном уровне.

В современной металлургии широко разрабатываются и внедряются бескоксовые технологические процессы. Замена кокса энергетическим каменным углем требует использования большего количества этого угля. Возникает вопрос, какова эмиссия CO2 в бескоксовых процессах по сравнению с таковой в традиционных коксовых технологиях?

В процессах черной металлургии в основном образуются два парниковых газа: метан CH4 и диоксид углерода CO2. Метан является частью вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) и сгорает при их использовании до CO2. Диоксид углерода образуется во всех технологических процессах металлургии при сжигании топлива, выгорании углерода из полуфабриката, разложении составляющих флюсов. Различные технологические схемы характеризуются разными объемами образования диоксида углерода. Понятие углеродного следа сведем к интегральной (итоговой) сквозной эмиссии диоксида углерода МС. Сквозной эмиссия названа потому, что она является суммой эмиссий CO2, которые последовательно возникают во всех процессах технологической цепи, начиная с добычи сырья и кончая тем продуктом, для которого эта эмиссия определяется. Она является суммой итоговой эмиссии CO2 процесса МП и транзитной

МТ. Транзитная эмиссия определяет долю от суммарной массы эмиссии диоксида углерода, образованного в предыдущих процессах. Интегральная эмиссия процесса МП определяется по количеству полностью сгоревшего углерода в процессе в предположении, что горючие ВЭР, образованные в этом процессе, используются полностью в этом же процессе (для производства электроэнергии, кислорода и т. п.). В этой связи вся масса диоксида углерода, полученного от сгорания топлива, например, в доменной печи, в воздухонагревателях, в котлах местных электростанций отнесена к доменной печи (чугуну). Эта масса и эмиссии МТ, МС названы итоговыми или интегральными. Для исключения двойного счета эмиссии диоксида углерода при расчете эмиссии в доменном процессе исключены эмиссии от производства электроэнергии, например, для получения кислорода, обеспечения дутья и т.п. Методики расчета эмиссий CO2 для различных цепей переделов приведены в литературе [1 - 3].

Очевидно, что для уменьшения эмиссии CO2 необходимо снижать энергоемкость технологических процессов. Данное обстоятельство требует проведения дальнейшего развития сквозного энерго-экологического анализа, разработанного Лисиенко В. Г. В продолжении работ Лисиенко

В.Г. ведено понятие технологического парникового числа (ТПЧ) технологического процесса и продукта. ТПЧ - это количество килограмм условного топлива (кг у.т.), требуемого для погашения стоимости экономического ущерба от выбросов парниковых газов на единицу выпускаемой продукции.

При этом за стоимость топлива принята цена природного газа:

N

ТПЧ т = K вп -X M к ,

к=1

где Мk - фактическая удельная масса выбросов парниковых газов, т выбр./т прод. для i-го процесса; Ken - коэффициент перевода стоимостной оценки ущерба к оценке в условных энергетических единицах (кг у.т./т п.г.).

Коэффициент представляется в виде:

C Qр р

C Q1

пр.г. Ъ^н.у.т

где Свв - плата природопользователя (предприятий, учреждений, организаций) за загрязнение окружающей среды выбросами в атмосферу парниковых газов, принято значение 50 дол. США или 1500 рубл./т п.г.;

Спр.г. - цена м3 природного газа; Q^npi- - низшая рабочая теплота

сгорания природного газа, 35,8 МДж/м3, - низшая рабочая теплота

сгорания условного топлива, 29,3 МДж/кг у.т. Таким образом, ТПЧ

однозначно определяется эмиссией С02. Далее ТПЧ подразделяется на ТПЧ процесса, ТПЧ транзитное и ТПЧ сквозное.

Для определения ТПЧ необходимо знать эмиссию СОг процесса, транзитную и сквозную. По происхождению СОг после анализа процессов металлургии выделены следующие типы технологических процессов, которые различаются способами образования С02 и задают методы вычисления массы или объема образуемого СОг.

Тип 1. Процессы, в которых сжигается топливо (обжиговые печи железорудных окатышей, нагревательные печи прокатного производства, процессы термической обработки, парогенераторы электростанций и т.п.).

Тип 2. Процессы, в которых выгорает углерод из металла шихты, но топливо не используется (все виды конвертерного производства).

Тип 3. Процессы, в которых выгорает углерод из металла шихты и сжигается топливо (мартеновское производство, процессы агломерации, электроду говые печи).

Тип 4. Процессы, в которых сжигается топливо и часть углерода переходит в конечный продукт. К процессам типа 4 относятся доменный процесс и все бескоксовые технологии ( HyL-3, Midrex, COREX, ROMELT).

Тип 5. Процессы, в которых происходит возгонка летучих фракций топлива, которые затем используются как топливо в тех же коксовых батареях или других агрегатах. К таким процессам отнесем коксование. Хотя в этом процессе сжигается топливо для прогрева коксовых батарей, однако этим топливом является или коксовый газ, или доменный газ, или их смесь, образование СОг в которых вычисляется в соответствующем типе технологических процессов. Выделенный углерод в процессе возгонки в составе угарного газа дожигается при использовании коксового газа в качестве топлива. Таким образом, весь углерод, полученный в результате возгонки, образует С02.

Тип 6. Процессы, в которых к окислению углерода добавляются процессы разложения карбонатов при производстве офлюсованного агломерата, офлюсованных окатышей.

Перечисленные типы определены по характеру основных технологических процессов. Кроме основных, имеются вспомогательные процессы, которые обеспечивают подачу воздуха, кислорода, пара, воды на охлаждение. Интегральная эмиссия учитывает эмиссию СОг в этих процессах.

ММ технологического процесса типа 1. Интегральная эмиссия СОг, образованного в технологическом процессе типа 1, определяется массой окисленного углерода при использовании N видов топлива

ж

Mgi = 3,667^ C^MFI 1

N

VG1 = 1855^ Cp M

где MG1 - масса образованного газа при сгорании всего топлива, т/т продукции; 3,667 - коэффициент, который задает количество массы образующегося газа на единицу сгораемого углерода, найденный из формулы

полного окисления углерода; Ср - массовая доля содержания (концентрация) углерода в I-ом топливе - отношение массы углерода MC1 к

Mfi ; Mfi - масса сгоревшего I-го топлива, т/т продукции; VG1 - объем

образованного CO2 при сгорании топлива, м3/т продукции; 1855 - коэффициент объема газа, который задает объем образующегося газа на т массы сгораемого топлива 1855=3,667-1000/1,977; CI - массовая доля содержания углерода в I-м топливе; MF - масса сгоревшего I-го топлива, т/т продукции.

ММ технологического процесса типа 2. Оксид углерода дожигается возле горловины конвертера с выделением дополнительного тепла или уходит с дымовыми газами в систему очистки и дожигания, т.е. весь выгоревший углерод исходной шихты образует CO2. Интегральная эмиссия CO2 в технологическом процессе типа 2 определяется формулами

MG2 = 3,667 AmC .

AmC =mШ ( C4 D4 + Сл Dn )- СОТ mCT = mCT

K = KВ[D (1 - СЧ - Si4 - Mn4 - Рч - SЧ ) + Dл (1 - Сл - ^л - M^ - Рл - SЛ )] =

1 ^^ст S/ст -^^^Пст *Р^гт *^^ст

= K В X D1(1 - C1 - Si1 - Mni - P1 - S1)

1 ^^ст Si ОТ от *РОт *^^ст

где MG2 - масса образованного CO2 при выгорании углерода, т; AmC - количество выгоревшего углерода, т; СЧ - массовая доля содержания углерода в чугуне; m4 - масса чугуна в металлической шихте т; Сл -

массовая доля содержания углерода в ломе; тЛ - масса лома в металлической шихте т; ССТ - массовая доля содержания углерода в получаемой стали; тСТ - масса получаемой стали, т; - массовая доля чугуна в металлошихте; DЛ - массовая доля лома в металлошихте; тШ = тЧ + тЛ - масса металлической шихты, т. КП = тСТ/тШ -

коэффициент потерь, который учитывает потери исходной массы шихты от выгорания углерода, железа и других исходных составляющих загружаемой шихты; Dj, Сг Sij Mn} Pj Sj, - массовые доли I-ого компонента шихты, углерода, кремния, марганца, фосфора, серы в этом компоненте.

ММ технологического процесса типа 3. В таком процессе CO2 образуется от окисления углерода топлива (9) и от выгорания углерода из исходных материалов шихты (чугуна, лома) (11)

MG3 = MG1 + MG2 .

Мартеновский процесс и электродуговая печь относятся к типу 3.

ММ технологического процесса типа 4. Доменный процесс - типичный представитель процессов этого типа. Бескоксовые способы получения железа или чугуна также относятся к процессам типа 4.

В доменных печах основным топливом является кокс. Кокс почти весь сгорает до CO2 или оксида углерода CO, причем последний газ догорает до CO2 при его дальнейшем использовании в коксовых батареях или в воздухонагревателях. Часть углерода переходит в чугун. В современных доменных печах в дутье добавляют топливо в виде природного газа, мазута, угольной пыли и т.д.

Формула для вычисления массы образовавшегося CO2

MG1 = 3,667(CF1MF1 + CF2MF2 - СЧтЧ ), где CF1 - массовая доля углерода в коксе; MF1 - масса сгоревшего кок-

F1 F1

F2 - массовая доля углерода в инжектируемом топливе; M F2

да в чугуне; тЧ - масса произведенного чугуна.

ММ технологического процесса типа 5. К этому типу процессов относится коксование углей. Коксохимический процесс отнесем к процес

сам только с выделением летучих фракций. Из угля выделяются различные газы и компоненты, содержащие углерод. На основании данных по составу коксового газа определяется общее массовое количество углерода в коксовом газе (в метане, оксиде углерода, CO2). Весь этот углерод определяет эмиссию CO2, сгорая в коксовых батареях или в доменной печи, или мартене, или в факеле коксовой батареи, сжигающим лишний коксовый газ.

Коксовый процесс характеризуется следующими относительными весовыми коэффициентами:

w к = Мк / Мку = (0,65 - 0,75); w кг = Мкг / Мку = (0,12 - 0,15),

где Мку - масса коксующегося каменного угля; Мк - масса кокса, полученного из этого угля; Мкг - сухой или обратный коксовый газ; W^ -

коэффициент выхода коксового газа из угля; WR - коэффициент выхода кокса из угля. Плотность газовой смеси из n газов определяется по из-

n

вестной формуле рсм = ^^piri , где pt - плотность i-ой составляющей,

кг/м3; ri - объемная доля i-ой составляющей. Масса углерода mC в 1 м3

газовой смеси, содержащей m углеродосодержащих составляющих, определяется как

m

где Wi - массовая доля углерода в J составляющей. Массовая доля углерода в смеси газов будет равна отношению

mC

wc = —.

Рсм

Масса CO2, образующаяся при сжигании массы MF топливной газовой смеси - коксового газа, определяется из соотношения

Ма3 = 3,667wCMF.

Если масса MF равна удельному расходу топлива на т продукции, расчеты по этой формуле дадут значение удельного коэффициента эмиссии CO2. Масса коксового газа Мкг на 1 т кокса (масса кокса Мк) определяется по формуле

972185317500Mр = M кг

где WRF - коэффициент выхода коксового газа из угля; Wк - коэффициент выхода кокса из угля.

С использованием перечисленных моделей были вычислены интегральные эмиссии CO2 процессов производства чугуна, губчатого железа, металлизированных окатышей и стали. Расчеты проводились для средних значений по расходу материалов шихты, электроэнергии и других компонентов.

Сквозная эмиссия того или иного процесса вычислялась по графовой модели эмиссий CO2 (рис. 1).

В общем виде будет справедлива следующая формула для вычисления сквозной эмиссии:

N Л M f

p Л

i=1 V j=1 У l=1 V

j=1 У

где L - число источников (вершин графа, из которых дуги только выходят); N - число путей из вершины-источника к анализируемой вершине; Pjk - передачи соответствующего пути - произведения весов дуг, например, 31¥51¥71; M- число вершин, соответствующих процессам, у которых эмиссия процесса не равно нулю; P - число путей из таких вершин к анализируемой вершине. Длина путей различна. Здесь индекс i соответствует номеру передела в технологической цепи, а индекс k означает эмиссию диоксида углерода от k-го источника в i-м переделе, l - номер вершины в i-м переделе, у которой эмиссия процесса не равна нулю: Gik - сквозные эмиссии CO2 источников - процессов добычи руд, углей, природного газ; MH - интегральные эмиссии процессов. На рис. 1 сквозные интегральные эмиссии CO2 заданы в скобках после косой черты, а до черты - интегральные эмиссии процесса.

Исследованы коксовые и бескоксовые процессы. На выходе всех исследованных переделов для сравнимости принят один продукт - сталь, выплавляемая в электродуговых печах (ЭДП). Были проанализированы следующие цепочки технологий (переделов): ДП + ЭДП; Corex + ЭДП; Ромелт + ЭДП; Midrex + ЭДП; Hyl-3 + ЭДП.

Ранг
переделов
Процесс
Эмиссия CO2 (Э) на т продукции
Сквозная, кг
Объемная, м3
1
HyL-3+ЭДП
1125
569
2
Midrex+ЭДП
1224
619
3
ДП+ЭДП
1434
725
4
Ромелт+ЭДП
2004
1015
5
Corex+ЭДП
2018
1021
6
ДП+конвертер
2307
1167

Таблица 1

гСталь

Рис. 1. Граф интегральных эмиссий дуплекса доменная печь + электродуговая печь

В табл. 1 [4] технологические цепи расположены по увеличению значений эмиссии CO2. Как видим, наиболее приоритетными процессами по значению являются переделы Hyl-3 + ЭДП, Midrex + ЭДП.

Выводы

Найдена оценка сквозной эмиссии CO2 при производстве стали для коксовых и бескоксовых процессов черной металлургии. При производстве стали выявлены преимущества по минимальной эмиссии CO2 для тандемов процессов HyL-3 + ЭДП, Midrex + ЭДП.

Приоритетными по выбросу парниковых газов являются процессы, не связанные с использованием каменного угля и чугуна в шихте ЭДП.

Список использованных источников

  1. Чесноков Ю.Н., Лисиенко В.Г., Лаптева А.В. Математические модели косвенных оценок эмиссии CO2 в некоторых металлургических процессах // Сталь. - 2011. - №8. - С. 74-77.
  2. Чесноков Ю.Н., Лисиенко В.Г., Лаптева А.В. Разработка графов эмиссии диоксида углерода металлургическими предприятиями // Металлург. - 2012. - №12. - С. 23-26.
  3. Чесноков Ю.Н., Лисиенко В.Г., Лаптева А.В. Оценка углеродного следа при выплавке стали в электродуговой печи // Металлург. - 2013.
  4. №9. - С. 23-26.
  5. Лисиенко В.Г., Чесноков Ю.Н., Лаптева А.В. Сравнительный экологопарниковый анализ альтернативных бескоксовых процессов производства чугуна и стали // Металлург. - 2011. - №7. - С. 40-45.

Vladimir Lisienko,

professor, doctor of Engineering,

Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin e-mail: lisienko AT mail.ru Ekaterinburg, Russia

Valery Anufriev,

Associate Professor, doctor of Economics Sciences,

Graduate School of Economics and Management,

Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin e-mail: mail AT ucee.ru Ekaterinburg, Russia

Yuriy Chesnokov,

Associate Professor, candidate of Technical Sciences,

Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin e-mail: ch_jur AT mail.ru Ekaterinburg, Russia

Anna Lapteva,

senior lecturer,

Ural Federal University named after the first President of Russia Boris Yeltsin e-mail: annalapteva AT mail.ru Ekaterinburg, Russia

THE ANALYSIS OF POWER CONSUMPTION AND ISSUE OF CO2 AT VARIOUS COMBINATIONS OF COKE AND COKE-FREE PROCESSES BY THE PRODUCTION OF STEEL

Abstract:

Comparative calculations of carbon dioxide emission - greenhouse gas at various combinations coke oven (a blast furnace - the converter, a blast furnace - the electric arc furnace or EAF) and the coke-free (HyL-3-EAF, MIDREX - EAF, ROMELT-EAF, COREX-EAF, EAF on scrap) processes for the production of steel are carried out. For comparative assessment of technological processes in the framework of the power-ecological analysis it is considered both power consumption, and parameter of emission of CO2 greenhouse gas - the technological greenhouse number (TGN). Steel production advantages on power consumption and CO2 emissions when using scrap in EAFs, process of LP-V, and also processes of HyL-3 + EAF, Midrex + EAF are revealed. In all cases in priority on power consumption and on emission of greenhouse gases there are processes not involving the use of cast iron in production of steel.








МОЙ АРБИТР. ПОДАЧА ДОКУМЕНТОВ В АРБИТРАЖНЫЕ СУДЫ
КАРТОТЕКА АРБИТРАЖНЫХ ДЕЛ
БАНК РЕШЕНИЙ АРБИТРАЖНЫХ СУДОВ
КАЛЕНДАРЬ СУДЕБНЫХ ЗАСЕДАНИЙ

ПОИСК ПО САЙТУ