Состав металлургического завода с полным циклом

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПРАКТИЧЕСКИХ

ЗАНЯТИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

ТЕПЛОЭНЕРГЕТИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ

И ЭНЕРГОБАЛАНСЫ ПРОМЫШЛЕННЫХ

ПРЕДПРИЯТИЙ

Учебно-методическое пособие

Специальность: 140104 Промышленная теплоэнергетика

ЧЕРЕПОВЕЦ

2006

Рассмотрено на заседании кафедры промышленной теплоэнергетики, протокол № 6 от 22.02.06 г.

Одобрено редакционно-издательской комиссией Института металлургии и химии ГОУ ВПО ЧГУ, протокол № 7 от 06.05.06 г.

С о с т а в и т е л и: С.В. Лукин, канд. техн. наук, доцент; Ю.А. Калягин, д - р техн. наук, проф.; Н.В. Телин, д - р техн. наук, проф.

Р е ц е н з е н т ы: Н.Н. Синицын, д - р техн. наук, проф. (ГОУ ВПО ЧГУ); А.С. Андреев, канд. техн. наук, доцент (ОАО «Аммофос»)

Н а у ч н ы й р е д а к т о р: В.Р. Аншелес, д - р техн. наук, проф.

Введение

Теплоэнергетические системысовременных и перспективных промышленных предприятий энергоемких отраслей промышленности представляют собой сложные комплексы тесно связанных по потокам различных энергоресурсов как заводских энергоустановок различных типов и назначений, так и технологических агрегатов, которые потребляют одни виды (обычно несколько) и одновременно генерируют другие виды энергоресурсов, которые не могут быть полностью потреблены в данном производстве, но могут быть использованы для обеспечения работы других технологических и энергетических агрегатов. При этом как потребление, так и генерирование технологическим агрегатом обычно нескольких видов энергоресурсов целиком определяются режимами его работы и особенностями технологических процессов каждого агрегата, которые, как правило, не могут быть стабильными, жестко фиксированными.

Тема 1. Первичные энергоресурсы

На схеме 1 в качестве примера показан структурный состав металлургического завода с полным производственным циклом, на который поступает исходное сырье (в данном случае сырая, т. е. необработанная железная руда), а выходит готовый стальной прокат соответствующих профилей.

Различные цеха и агрегаты промышленного предприятия потребляют различные виды энергоресурсов: топливо (газообразное, жидкое, твердое), электроэнергию, водяной пар и горячую воду различных параметров, кислород технический и технологический (газообразный и жидкий), сжатый воздух, физическую теплоту промежуточного продукта (жидкого чугуна, раскаленного кокса и т.п.).

Схема 1

Состав металлургического завода с полным циклом

Первичными энергоресурсами называются энергоресурсы, полученные за счет топлива или электроэнергии, поступающих извне, а также сами привозные топливо и электроэнергия. К первичным энергоресурсам относятся в первую очередь природный газ, мазут, уголь, а также энергоресурсы, полученные на заводских энергоустановках (ТЭЦ, ПВС, кислородных установках). Доменный и коксовый газы иногда относят к первичным энергоресурсам, но более правильно их относить к вторичным энергоресурсам.

Количество потребляемых энергоресурсов измеряется обычно в натуральных единицах. При составлении топливных балансов первичные энергоресурсы пересчитывают в условное топливо, измеряемое в тоннах (т у.т.), или в теплоту условного топлива (ГДж), затраченные на производство данного вида энергоресурса. Низшая расчетная теплота сгорания топлива принята равной 29,31 ГДж/т у.т. = 29,31 МДж/кг у.т.

Задачи

1. Котельная потребляет В = 5 тыс. м³/час природного газа с теплотой сгорания МДж/м³. Выразить расход природного газа в условном топливе.

Ответ: В _у= 5,97 т у.т./ч.

Решение

Горючий энергоресурс пересчитывается в условное топливо по формуле

В данном случае:

2. Коксовая батарея потребляет 40 тыс. м³/ч доменного газа с теплотой сгорания МДж/м³. Выразить расход доменного газа в условном топливе.

Ответ: В _у= 5,73 т у.т./ч.

3. Нагревательная печь потребляет 10 тыс. м³/час коксового газа с теплотой сгорания МДж/м³. Выразить расход коксового газа в условном топливе.

Ответ: В _у= 5,97 т у.т./ч.

4. Доменная печь потребляет 100 т/час кокса с теплотой сгорания МДж/кг. Выразить расход кокса в условном топливе.

Ответ: В _у= 112,6 т у.т./ч.

5. Прокатный цех потребляет 30 МВт электроэнергии на привод валков прокатного стана. Выразить расход электроэнергии в условном топливе. Электроэнергия поступает от районной КЭС, к.п.д. производства электроэнергии равен 40 %.

Ответ: В _у= 9,225 т у.т./ч.

Решение

Удельный расход в граммах условного топлива на тепловой электростанции на выработку 1 кВт · ч электроэнергии определяется по выражению:

где h _э – к.п.д. (в долях от единицы) производства электроэнергии. Так как в данном случае h _э = 0,4, то . Цех в час потребляет Э = 30 МВт ´ ´ час/час = 30 000 кВт · час/час электроэнергии. Расход условного топлива на производство данного количества электроэнергии составит:

6. Решить задачу 5 при условии, что электроэнергия производится на заводской ТЭЦ с к.п.д., равным: а) h _э = 0,6;
б) h _э = 0,8. Все остальные условия неизменны.

Ответ: а) В = 6,15 т у.т./ч; б) В = 4,61 т у.т./ч.

7. Мощность, потребляемая доменной воздуходувкой, равна N = 20 МВт. Удельный расход теплоты топлива на производство механической энергии на ПВС равен q = 2,7 (Дж теплоты топлива)/(Дж механической энергии). Выразить потребляемую механическую энергию в условном топливе.

Ответ: В _у= 6,63 т у.т./час.

Решение

Расход теплоты топлива на производство механической энергии равен МВт. В час расходуется 54 МВт · ч /ч тепловой энергии топлива. Так как 1 МВт · час = 3600 МДж, то расход тепловой энергии топлива в час составит Q = 3600 · 54 = 194 400 МДж/час. В условном топливе это составит В _у= 194 400/29,31 = 6632,5 кг у.т./ч = 6,63 т у.т./ч.

8. Решить задачу 7 при условии, что удельный расход теплоты топлива на ПВС равен q = 8300 кДж/кВт · ч. Остальные данные такие же.

Ответ: В _у= 5,64 т у.т./ч.

9. Доменный цех потребляет D = 100 тыс. м³/ч сжатого воздуха. Мощность, потребляемая воздуходувкой равна N = 10 МВт. Определить удельный расход механической энергии в кВт · час на 1 м³ сжатого воздуха.

Ответ: l = 0,1 кВт · час/м³ воздуха.

Решение

Удельный расход механической энергии на 1 м³ воздуха равен

10. Кислородная установка Кт-70 производит 70 тыс. м³/ч технологического газообразного кислорода. Суммарная мощность, потребляемая воздушным и кислородным компрессорами, равна 35 МВт. Определить удельный расход механической энергии в кВт · ч на 1 м³ кислорода.

Ответ: n = 0,5 кВт · ч/м³ кислорода.

11. Цех потребляет D = 20 тыс. м³/ч сжатого воздуха давлением р = 0,6 МПа. Сжатый воздух поступает от компрессора, к.п.д. которого равен η_к= 0,65. Определить мощность, потребляемую компрессором, и удельный расход механической энергии в кВт · ч на 1 м³ сжатого воздуха.

Ответ: N = 1,53 МВт; l _к = 0,077 кВт · ч/м³.

Решение

На сжатие 1 м³ воздуха от нормального давления р ₀= = 101,3 кПа до давления р, кПа, компрессор затрачивает механическую энергию, равную

, кДж/м³.

В данном случае =
= 0,077 кВт · ч/м³. Расход механической энергии в час составит: Э = D · l _к = 20 000 · 277 = 5 540 000 кДж/ч. Мощность, потребляемая турбокомпрессорами равна: N = Э (кДж/ч)/3600 =
= 5 540 000/3600 = 1532 кВт = 1,53 МВт.

12. Решить задачу № 11 при условии, что давление сжатого воздуха равно: а) р = 0,3 МПа; б) р = 0,8 МПа. Все остальные условия неизменны.

Ответ: а) N = 0,94 МВт; l _к= 0,063 кВт · ч/м³; б) N = = 1,78 МВт; l _к= 0,089 кВт · ч/м³.

13. Решить задачу № 11 при условии, что к.п.д. компрессора равен: а) η_к= 0,85; б) η_к= 0,75. Все остальные условия неизменны.

Ответ: а) N = 1,17 МВт; l _к= 0,058 кВт · ч/м³; б) N = 1,33 МВт; l _к= 0,067 кВт · ч/м³.

14. Цех потребляет Q = 50 ГДж/ч теплоты на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение в виде горячей воды с заводской ТЭЦ. К.п.д. производства и отпуска тепловой энергии на ТЭЦ η_Т = 0,9. Выразить теплоту в условном топливе.

Ответ: В _у= 1,9 т у.т./ч.

Решение

Удельный расход условного топлива в котлах ТЭЦ на выработку и отпуск тепловой энергии определяется по формуле

В данном случае . Расход условного топлива на производство теплоты равен В _у= b _т· Q = 37,9 · 50 = 1895 кг у.т./ч = 1,895 т у.т./ч.

15. Цех потребляет D = 20 т/час производственного пара из отборов турбин ТЭЦ давлением p = 0,8 МПа. Конденсат с температурой t _о.к= 90 °С возвращается на ТЭЦ. К.п.д. производства и отпуска тепловой энергии на ТЭЦ η_Т = 0,87. Выразить расход пара в условном топливе.

Ответ: В = 1,905 т у.т./ч.

Решение

Теплота, отпускаемая с паром из теплофикационной турбины, определяется выражением

, кДж/ч,

где h _п – энтальпия отпускаемого пара, кДж/кг; h _о.к – энтальпия обратного конденсата, возвращаемого на ТЭЦ. Пар отпускается обычно с небольшим перегревом (20 ÷ 25 °С). По h, s диаграмме определяем энтальпию пара при р = 0,8 МПа при перегреве 20 °С: h _п= 2810 кДж/кг. Энтальпия обратного конденсата при 90 °С определяется по таблицам для воды: h _о.к= = 377 кДж/кг. Тогда Q _п= 20 000 · (2810 – 377) = 48,6 ГДж/ч. Удельный расход условного топлива в данном случае составит: . Расход условного топлива на производство теплоты равен В _у= b _т· Q = 39,2 · 48,6 = 1905 кг у.т./час = 1,905 т у.т./ч.

16. Решить задачу № 14 при условии, что конденсат пара не возвращается на ТЭЦ и его нужно возмещать добавочной водой с температурой 20 °С.

Пояснение: вместо энтальпии обратного конденсата h _о.к следует подставлять энтальпию добавочной воды i _д.в.

Ответ: 2,11 т у.т./ч.

17. Решить задачу № 14 при условии, что давление пара равно р = 0,5 МПа. Остальные данные такие же, как в задаче 15.

Ответ: 1,86 т у.т./ч.

18. Конвертерный цех потребляет D = 5 тыс. м³/ч технического кислорода давлением 1 МПа. Требуется пересчитать расход кислорода в условное топливо (т у.т./ч). Воздухоразделительная установка (ВРУ) работает следующим образом. Воздушный компрессор, потребляющий механическую энергию, сжимает атмосферный воздух до р _в= 0,6 МПа. К.п.д воздушного компрессора η_в.к= 0,86. На выработку механической энергии расходуется удельный расход тепла первичного топлива q _ПВС= 2,7 Дж/Дж. Часть сжатого воздуха в количестве 10 % поступает на детандер, остальная часть в количестве 90 % идет на разделение. Из ВРУ выходят газообразные азот и кислород при условиях, близких к нормальным (р ₀= 101,3 кПа,
t ₀= 0 °C). Из 1 м³ воздуха, затраченного на разделение, получается примерно 0,21 м³ кислорода и 0,79 м³ азота. После ВРУ кислород сжимается в кислородном компрессоре до р = 1 МПа (к.п.д. кислородного компрессора η_к.к= 0,84) и направляется в конвертерный цех. При расчете рассмотреть два варианта:
а) все затраты относятся на кислород (азот выбрасывается);
б) затраты распределяются между кислородом и азотом пропорционально их концентрационной эксергии.

Ответ: а) В = 4,72 т у.т/ч; б) В = 3,07 т у.т/ч.

Решение

Рассчитаем расход механической энергии на сжатие 1 м³ воздуха в воздушном компрессоре:

кДж/м³ воздуха.

Выход кислорода из ВРУ на 1 м³ сжатого воздуха составит К = 0,9 · 0,21 = 0,189 м³/м³. Выход азота из ВРУ на 1 м³ сжатого воздуха составит А = 0,9 · 0,79 = 0,711 м³/м³.

а) В случае, если азот выбрасывается (не используется на заводе), то вся работа, затраченная на воздушный компрессор l _в.к относится на кислород. На 1 м³ полученного кислорода приходится такая удельная работа компрессора: = кДж/м³ кислорода.

б) В случае, если азот используется на заводе, то работу, затраченную на воздушный компрессор l _в.к распределяют между кислородом и азотом пропорционально теоретической работе на выделение этих компонентов. Теоретическая работа разделения 1 м³ атмосферного воздуха составляет

где N_i и p_i – объемная доля и парциальное давление i -ого компонента воздуха; i = 1, 2 (инертными газами пренебрегаем); l _выд _i – теоретическая работа выделения i -го компонента. Для кислорода N _К= 0,21; для азота N _А= 0,79. Теоретическая работа выделения кислорода составляет кДж/м³ воздуха. Теоретическая работа выделения азота кДж/м³ воздуха. Теоретическая работа разделения 1 м³ воздуха на чистые кислород и азот составляет кДж/м³ воздуха.

Доли, в которых следует распределять энергию, затраченную на воздушный компрессор, определяются по выражению

Доля энергии, приходящаяся на кислород, равна m _К= = 33,19/52,06 = 0,64. Доля энергии, приходящаяся на азот, равна m _А= 18,86/52,06 = 0,36.

Тогда на 1 м³ полученного кислорода приходится следующая удельная работа компрессора: кДж/м³ кислорода. На 1 м³ полученного азота приходится следующая удельная работа компрессора: кДж/м³ азота.

Поскольку из ВРУ кислород выходит при атмосферном давлении, то нужно дополнительно затратить работу на кислородный компрессор, чтобы сжать его до давления 1 МПа =
= 1000 кПа:

кДж/м³ кислорода.

Общая затрата механической энергии на 1 м³ кислорода давлением 1 МПа составит: в случае а) l = 1109,4 + 276 =
= 1385 кДж/м³ кислорода; в случае б) l = 709,8 + 276 =
= 985,8 кДж/м³ кислорода.

Расход тепла первичного топлива определяется выражением Q = D · q _ПВС· l. В случае а) Q = 5000 · 2,7 · 1385 = 18,7 ГДж/ч;
В = 18,7/29,3 = 0,638 т у.т/ч. В случае б) Q = 5000 · 2,7 · 985,8 = = 13,3 ГДж/ч; В = 90,04/29,3 = 0,454 т у.т/ч.

19. Решить задачу № 17 при условии, что воздух сжимается в воздушном компрессоре до 0,5 МПа, доля воздуха, идущего на разделение, – 95 % (более совершенная ВРУ). В конвертерный цех кислород подается под давлением 1,4 МПа. Азот используется на заводе. Остальные данные такие же.

Ответ: В = 0,41 т у.т./ч.

20. В таблице приведено среднегодовое потребление топлива различными потребителями металлургического комбината с полным циклом. Обозначения следующие: ДГ – доменный газ; КГ – коксовый газ; ПГ – природный газ; ТТ – твердое топливо; ЖТ – жидкое топливо.