В роботі розглядається питання можливості застосування газотурбінної установки в теплової технології випалу сідерітових руди. Проаналізовано споживання електричної енергії на діючому підприємстві для визначення необхідної потужності, яка склала 10,25 МВт. Складена математична модель процесу горіння природного газу в камері згоряння газової турбіни з подальшим використанням відпрацьованих продуктів згоряння в печі випалу сідерітових руди. Отримано, що для забезпечення власної електричною енергією потрібно встановити перед двома печами дві газових турбіни потужністю по 5 МВт кожна. Це призведе до зростання витрати палива підприємством, але дозволить виключити закупівлю електричної енергії з зовнішніх мереж, що призведе до зниження собівартості кінцевої продукції.

Анотація наукової статті з хімічних технологій, автор наукової роботи - Мурзадеров Артем В'ячеславович, Нешпоренко Євген, Григорович


ANALYSIS OF POSSIBILITY OF ENERGY MODERNIZATION OF THE PROCESSING SIDERITE ORES TECHNOLOGY WITH THE USE OF GAS TURBINES

The paper deals with the possibility of using a gas turbine plant in the thermal technology of siderite ore firing. The consumption of electric energy at the operating enterprise is analyzed to determine the required power, which amounted to 10.25 MW. A mathematical model of the combustion process of natural gas in the combustion chamber of the gas turbine followed by the use of exhaust products in the combustion furnace siderite ore. It was found that to provide its own electric energy, two gas turbines with capacity of 5 MW each, must be installed in front of two furnaces. This modernization will lead to an increase in fuel consumption by the enterprise, but will eliminate the purchase of electricity from external networks, which will reduce the cost of the final product.


Область наук:
  • хімічні технології
  • Рік видавництва: 2019
    Журнал: Теорія і технологія металургійного виробництва
    Наукова стаття на тему 'АНАЛІЗ МОЖЛИВОСТІ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ МОДЕРНІЗАЦІЇ теплотехнологій ПЕРЕРОБКИ сідерітових РУД З ВИКОРИСТАННЯМ ГАЗОВИХ ТУРБІН'

    Текст наукової роботи на тему «АНАЛІЗ МОЖЛИВОСТІ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ МОДЕРНІЗАЦІЇ теплотехнологій ПЕРЕРОБКИ сідерітових РУД З ВИКОРИСТАННЯМ ГАЗОВИХ ТУРБІН»

    ?УДК 662.987.2

    Мурзадеров А.В., Нешпоренко Є.Г.

    АНАЛІЗ МОЖЛИВОСТІ ЕНЕРГЕТИЧНОЇ МОДЕРНІЗАЦІЇ теплотехнологій ПЕРЕРОБКИ сідерітових РУД З ВИКОРИСТАННЯМ ГАЗОВИХ ТУРБІН

    Анотація. В роботі розглядається питання можливості застосування газотурбінної установки в теплової технології випалу сідерітових руди. Проаналізовано споживання електричної енергії на діючому підприємстві для визначення необхідної потужності, яка склала 10,25 МВт. Складена математична модель процесу горіння природного газу в камері згоряння газової турбіни з подальшим використанням відпрацьованих продуктів згоряння в печі випалу сідерітових руди. Отримано, що для забезпечення власної електричною енергією потрібно встановити перед двома печами дві газових турбіни потужністю по 5 МВт кожна. Це призведе до зростання витрати палива підприємством, але дозволить виключити закупівлю електричної енергії з зовнішніх мереж, що призведе до зниження собівартості кінцевої продукції.

    Ключові слова: ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЯ, сідерітових руда, випал, електроспоживання, газова турбіна, енергозбереження, витрата палива

    Вступ

    Бакальское родовище залізних руд є одним з найбільших в Росії. Основу мінеральних ресурсів родовища становить сідерітових руда, яка за місцем видобутку проходить технологічні стадії обробки дробленням, класифікацією, окислювальним випаленням і подальшої магнітною сепарацією з отриманням концентрату обпаленої сідеріта (КОС).

    Енерготехнологічний комплекс підприємства представлений шахтними печами для випалу сидеритом-вих руд. Випал сідерітових руди здійснюють продуктами згоряння природного газу при температурі 1000-1100 ° С. Для досягнення необхідних температур природний газ спочатку спалюють з повітрям з коефіцієнтом надлишку 2,2. Відпрацьовані гази з камери згоряння по керна з жаровими каналами надходять в центр шахтної печі, де змішуються з підсмоктується із зони охолодження повітрям. Таким чином, сумарний коефіцієнт надлишку повітря становить 3,0 [1].

    Шахтна піч для випалу сідерітових руди організована за принципом протитечії руху теплоносія, який направляється знизу вгору, і технологічного матеріалу, що направляється зверху в низ. Проходячи зону випалу, технологічний матеріал потрапляє в зону повітряного охолодження знаходиться нижче рівня керна з жаровими каналами підведення гріючого теплоносія.

    Слід зазначити, що ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЯ випалу сідерітових руд на БАКАЛЬСЬКИЙ підприємстві ведеться за двома тепловим схемами: з регенерацією теплоти обпаленої технологічного матеріалу і за схемою без регенерації. При цьому витрата природного газу, приведений до кінцевого КОС, після випалу і магнітного збагачення при результуючої ступеня

    © Мурзадеров А.В., Нешпоренко Є.Г., 2019

    вилучення залізорудного матеріалу 0,59 [1] становить для першого варіанту становить близько 30 м3, для другої схеми - близько 50 м3 на тонну концентрату.

    За даними технічної експлуатації печей [1] можна визначити енергетичну ефективність використання первинного енергетичного ресурсу в межах обпалювальної печі, яка становить 41,5%, при цьому фізичні теплові втрати з газами, що відходять складають 45,3% з температурою до 600 ° С.

    Електрична енергія використовується на всьому етапі підготовки руд до збагачення (буріння, екскавація, транспорт), але особливо багато на подрібнення і дроблення - до 40-60 кВтг / т [2]. У процесі збагачення також споживається значна кількість електричної енергії. Наприклад, збагачувальна фабрика в складі гірничо-збагачувального комбінату (ГЗК) в цілому споживає електроенергії 65-80 кВт • год / т руди. Якщо врахувати витрати на кар'єрні роботи і вивезення руди, освітлення об'єктів та інші допоміжні потреби, то можна оцінити загальні витрати електроенергії на ГЗК величиною порядку 80-100 кВтг / т руди.

    Слід зазначити, що рудовидобувні і збагачувальні підприємства знаходяться, як правило, далеко від міської інфраструктури та електричних станцій, тому виробництво електроенергії на станції перевищує споживання енергії на підприємстві на величину втрат при її транспорті і розподілі. Споживач же (підприємство) оплачує все, в тому числі і втрати електричної енергії при транспорті.

    Фактичні сумарні втрати електроенергії в російських мережах приблизно оцінюються в 13,1%, при цьому значна частина втрат електроенергії (близько 20%) не враховуються Росстатом. В окремих розподільних лініях 0,4-10,0 кВ розподільних мережних компаній (РСК) фактичні відносні втрати електроенергії досягають 30-40% [3].

    Таким чином, можна оцінити сумарні втрати електроенергії від станцій до ГЗК в 15-20%. Тобто

    для споживання 80-100 кВтг / т руди в видобувному і збагачувальному комплексі від станцій має бути відпущена близько 100-120 кВтг електричної енергії.

    В даний час інтенсивно розвивається ринок газотурбінних установок (ГТУ), які в першу чергу призначені для вироблення електричної енергії. Як правило, ГТУ працюють по зв'язці з котлом-утилізатором, який вбудований в класичний цикл систем генерації електричної енергії. Коефіцієнт корисної дії сучасних ГТУ досягає 35-40% при робочій температурі робочого тіла 1 300 ^ 1600 ° С на вході. При спільному включенні ГТУ з котлом-утилізатором в схему теплової електричної станції тепловий коефіцієнт корисної дії підвищується до 55-60%.

    Розглядаються варіанти включення газових турбін як надбудову над іншим енергетичним циклом або для використання вторинних енергетичних ресурсів основного технологічного процесу, однак практично не розглядається питання включення газової турбіни перед технологічним процесом. Ймовірно, це обумовлено низькою температурою відхідних газів з газової турбіни 450-600 ° С [4].

    Слід зазначити, що в чинній теплової технології збагачення сідерітових руди її обробка здійснюється продуктами згоряння природного газу при температурі 1000 ^ 1100 ° С. Таким чином, якщо розглядати варіант включення газової турбіни як надбудову над піччю для випалу сідерітових руди, то при цьому потрібно підвищити температуру газів, що відходять з газової турбіни 450-600 ° С до необхідного значення в 1000 - 1100 ° С. Для цього необхідно скласти математичну модель процесу горіння палива, що дозволяє за заданими вихідним параметрам системи розрахувати основні компоненти газоподібних продуктів, що виходять з газової турбіни, а також розрахувати необхідну додаткову кількість палива для підвищення температури газоподібних продуктів до температури 1100 ° С, яка заданий на технологією випалу сідерітових руди [1, 5].

    У процесі згоряння палива, що надходить в газову турбіну, утворюються продукти його згоряння з температурою близько 2000 ° С, які розбавляють повітрям для зниження до необхідної температури робочого тіла ГТУ. Основні компоненти газоподібного природного палива наведені в таблиці.

    Основні компоненти газоподібного природного палива

    Компоненти палива CnHm H2S CO H2O Ш2 N2

    Позначення Ь з а е / Я

    Приклад, об'ємні частки компонентів 0,95 0,01 0,0 0,0 0,01 0,02 0,01

    У процесі горіння беруть участь наступні компоненти палива: СДП, H2S, ТО. Відповідно реакції повного окиснення наведених компонентів запишуться в такий спосіб:

    ? а (з, Нт) +? а I п + т I (О2 + d ^ N2)

    1 = 1 1 = 1 V 4 у

    = |? (А 1 | п 1) \ (С02) + |? (А 1 • т \\ (Н 2О ')-

    . 1 = 1

    1 = 1

    +? а | п + т \ (N2);

    Ь (Н2) + 0,5 • Ь (О2 +) = = Ь (Н2О ') + 0,5 • Ь • (N2); з (Н28) +1,5 • с (О2 +) = = с (Н2О ') + с (8О2) + 1,5 • с • (N2); й (СО) + 0,5 • й (О2 + N) = = й (СО2) + 0,5 • й • (N2).

    (1)

    (2)

    (3)

    (4)

    Загальне рівняння утворення продуктів повного згоряння палива з урахуванням надлишку окислювача можна записати наступними рівняннями:

    - баланс вихідних компонентів газоподібного палива

    ? а (з, Нт,) + ь (Н2) + с (н ^) +

    1 = 1

    + Й ​​(СО) + е (Н2О) + / (СО2) +% (N2) = 1;

    - витрата окислювача на процес горіння

    У0к = а • А • (1 + ^),

    (5)

    (6)

    де а - коефіцієнт надлишку окислювача; - відношення вмісту баластних газів (азот) до кисню в окислювачі (для повітря = 79/21 = 3,762); параметр А

    А =? | п

    1 = 1

    т

    4

    Л

    • а + 0,5 • Ь +1,5 • з + 0,5 • й

    . (7)

    Тоді обсяг утворюються газоподібних продуктів реакції горіння палива заданого складу складе

    Упс = (? (Аг • п) + й + /! (С02) +

    . ?= 1

    (до

    +

    ?(А 1 • т} + b + c + е ^ Н20 ') +

    + С (БО2) + А • (а -1) (02) +

    + А • yoN2 • (А +%) (N2).

    (8)

    В результаті повного окислення компонентів природного газу утворюються нові сполуки, які змішують з додатковим окислювачем (повітрям) для досягнення заданої початкової температури газів на вході в газову турбіну. Потім продукти змішування спрацьовуються і виходять з газової турбіни із заданою кінцевою температурою. Даний процес можна описати шляхом складання матеріального і енергетичного балансів з використанням констант рівноваги, дисоціації і атомізації із застосуванням фундаментальних академічних даних [6].

    При цьому в продуктах можуть бути присутніми наступні компоненти: СО '= хь СО2' = x2, СН4 '= х3, Н2О' = х4, ОН '= х5; Н2 '= x6, О2' = x7, SO2 '= x8, H2S' = x9, N2 '= Xl0, а їх розподіл між собою залежить від температурного рівня і тиску в системі. При відносно низьких температурах горіння (нижче 2500 ° С) атомарним станом окремих елементів можна знехтувати [7]. Тоді матеріальний баланс по кожному елементу, що входить в рівняння (5), запишеться таким чином:

    баланс по вуглецю

    а1 | ni) + d + f = Х1 + X2 + x3

    баланс за воднем

    а • m) + 2 • b + 2 • з + 2 • e =

    i = i

    = 4 • x3 + 2 • x2 + x5 + 2 • x6 + 2 • x9;

    баланс по кисню

    d + e + 2 • f + X о, ^ n, + m J (O2) = = Xj + 2 • x2 + x4 + x5 + 2 • x7 + 2 • x;

    баланс по сірці:

    баланс по азоту

    з = x0

    2 • g = 2 • xi

    kpb, (t) =

    kH, O (T) • kco (T) x7 • Xi

    kH2 (T) • kCO2 (T) X 6 • X 2

    (14)

    Реакція дисоціації водяної пари на молекулярні гази і відповідна їй константа рівноваги

    KPiH2O (T) =

    k ^ o (T)

    (15)

    ^ (I) • к0г (ІГ х4

    Реакція дисоціації водяної пари з утворенням гідроксиду і відповідна їй константа рівноваги

    KP2.o (T) =

    kH2O (T)

    koH (ty kH2 (T)

    X + X + X,

    (16)

    Константа рівноваги хімічної реакції парової конверсії метану може бути записана через константи атомізації речовин і через обсяги компонентів системи з урахуванням тиску

    ЧЛT) =

    kCH4 (T) • kH2O (T) _ Xi • X6

    kco (T) • ^ (T) X3 • X4 lXi + X3 + X4 +

    (17)

    (9)

    Константа рівноваги хімічної реакції повного окиснення сірководню, записана через константи атомізації речовин і обсяги компонентів системи з урахуванням тиску:

    KPCB (T) =

    kHiS (TVkO5 (T) _ x8 • X4

    kSO2 (kH2O (T) X9 • X75

    X. + X-, + x0 + xn

    (18)

    (10)

    (11)

    (12)

    (13)

    Продукти реакції (5) в залежності від температури і тиску системи розподіляться між собою відповідно до константами рівноваги простих реакцій, які охоплюють всі продукти. Оскільки хімічних елементів, що становлять продукти згоряння 5 (С, Н, O, S, К), а самих продуктів згоряння 10, то система рівнянь буде складатися з п'яти рівнянь матеріального балансу і 10-5 = 5 рівнянь констант рівноваги. Для запису констант рівноваги можна скористатися хімічними реакціями, в які входять продукти реакції горіння, наприклад реакцією водяного газу, і відповідна їй константа рівноваги запишеться:

    Таким чином, складена система з 10 рівнянь з 10-ю невідомими, які описують процес горіння і розведення палива в камері згоряння газової турбіни в повному обсязі. Вирішуючи спільно рівняння (9) - (18), при заданій кінцевій температурі продуктів реакції, розраховують їх кількість.

    Сучасні газові турбіни мають широкий діапазон варіювання вихідного тиску газового палива і окислювача (повітря) в камері згоряння, як правило, в межах від 0,15 до 1,5 МПа. Витрата палива даної системи рівнянь необхідно пов'язати з теплоспоживанням процесу обробки сідерітових руди, а також з температурним рівнем газів, що виходять за турбіною і далі надходять в піч для випалу сідерітових руди.

    Сучасні печі для випалення сідерітових руди, встановлені на БАКАЛЬСЬКИЙ підприємстві, мають продуктивність 10 т / год по сирій руді. Тобто для процесу випалу потрібно мати в системі не менше 13,5 ГДж теплоти, яка підводиться з паливом (джерелом теплової енергії). Слід зазначити, що при обліку продуктивності печі потужність теплового джерела складе не менше 3,75 МВт. З урахуванням реальної температури газів, що відходять з печі, що дорівнює 250-300 ° С [1] (тобто матиме місце неповне використання теплоти палива), величина потужності теплового джерела енергії буде дещо вищою, що призведе до зростання витрат первинного палива.

    0.5

    0.5

    0,5

    X

    4

    1 = 1

    0.5

    k

    У прийнятих умовах проведені термодинамічні розрахунки дозволили визначити необхідну витрату природного газу для забезпечення процесу генерації електричної енергії із застосуванням газотурбінної установки і для подальшого процесу випалу сідерітових руди.

    Термодинамічні розрахунки показують, що для забезпечення роботи однієї печі для випалення сиде-рітов руди з попередньо включений газотурбінної установкою потрібно підвищення витрати палива з 50 до 144 м3 / т. При цьому газотурбінна установка дозволить виробляти 5000 кВтг електричної енергії, що покриє 48% потреб в електроенергії підприємства. Таким чином, установка двох предвклю-чинних ГТУ дозволить практично повністю забезпечити підприємство власною електроенергією. При капітальних витратах 520 млн руб. на вбудовування двох ГТУ в схему підприємства проект окупиться за 3 роки 8 місяців.

    Список літератури

    1. Оцінка ефективності теплової роботи шахтної печі для випалення сідерітових руди / В.І. Матю-хін, В.В. Шацілло, А.В. Кузнєцов і ін. // Металург. 2017. №1. С. 16-22.

    2. Абзалов Р.Ф., Заслов А.Я., Лісовик Л.К. ЕлектроСведенія про авторів

    обладнання та електропостачання гірничих підприємств. 2-е изд. М .: Недра. 1977. 295 с.

    3. Савіна Н.В., Барабаш Д.А. Комплексний аналіз втрат електроенергії в розподільних електричних мережах напругою 10-35 кВ на прикладі Амурської області // Вісник ИрГТУ. 2010. №10. С. 166-173.

    4. Зисін Л.В. Парогазові і газотурбінні теплові електростанції. С-Пб .: Изд-во політехн. унта, 2010. 368 с.

    5. Мурзадеров А.В., Картавцев С.В., Нешпоренко Є.Г. Удосконалення енергетики ТЕПЛОТЕХНО-логії переробки сідерітових руд // Промислова енергетика. 2017. № 10. С. 42-50.

    6. Термодинамічні властивості індивідуальних речовин. Довідкове видання: в 4-х т. Т.1, Кн.2. / Л.В. Гурвич, І.В. Вайц, В.А. Медведєв і ін. 3-тє вид., Перераб. і розширено. М .: Наука, 1978. 328 с.

    7. Пашков Л.Т. Основи теорії горіння. М .: Изд-во МЕІ, 2002. 136 с.

    8. Хроматографический аналіз газової фази, що утворюється при «м'якому» випалюванні високомагнезіальной сідерітових руди / Р.Н. Абдрахманов, С.П. Клочківській, І.А. Савченко, О. М. Смирнов // Теорія і технологія металургійного виробництва. 2013. №1 (13). С. 13-15.

    Мурзадеров Артем В'ячеславович - інженер, ПАТ «ММК», магістр, E-mail: murzaderov1994 @ mail. ru

    Нешпоренко Євген, Григорович - канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВО «МГТУ ім. Г.І. Носова », Магнітогорськ. E-mail: Ця електронна адреса захищена від спам-ботів. Вам потрібно увімкнути JavaScript, щоб побачити її.

    INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

    ANALYSIS OF POSSIBILITY OF ENERGY MODERNIZATION OF THE PROCESSING SIDERITE ORES TECHNOLOGY WITH THE USE OF GAS TURBINES

    Murzaderov A.V. - engineer, PJSC «MMK», magister, Magnitogorsk, Russian Federation.

    Neshporenko E.G. - PhD (Eng.) Associate Professor, of Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russian Federation.

    Abstract: The paper deals with the possibility of using a gas turbine plant in the thermal technology of siderite ore firing. The consumption of electric energy at the operating enterprise is analyzed to determine the required power, which amounted to 10.25 MW. A mathematical model of the combustion process of natural gas in the combustion chamber of the gas turbine followed by the use of exhaust products in the combustion furnace siderite ore. It was found that to provide its own electric energy, two gas turbines with capacity of 5 MW each, must be installed in front of two furnaces. This modernization will lead to an increase in fuel consumption by the enterprise, but will eliminate the purchase of electricity from external networks, which will reduce the cost of the final product.

    Key word: thermal technology, siderite ore, firing, electricity consumption, gas turbine, energy saving, fuel consumption

    Посилання на цю статтю:

    Мурзадеров А.В., Нешпоренко Є.Г. Аналіз можливості енергетичної модернізації теплотехнології переробки сідерітових руд із застосуванням газових турбін // Теорія і технологія металургійного виробництва. 2019. №3 (30). С. 8-11.

    Murzaderov A.V., Neshporenko E.G. Analysis of possibility of energy modernization of the processing siderite ores technology with the use of gas turbines. Teoria i tecnologia metallurgiceskogoproizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2019, vol. 30, no. 3, pp. 8-11.


    Ключові слова: ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЯ /сідерітових РУДА /випалу /електроспоживання /ГАЗОВА ТУРБИНА /ЕНЕРГОЗБЕРЕЖЕННЯ /ВИТРАТИ ПАЛИВА /THERMAL TECHNOLOGY /SIDERITE ORE /FIRING /ELECTRICITY CONSUMPTION /GAS TURBINE /ENERGY SAVING /FUEL CONSUMPTION

    Завантажити оригінал статті:

    Завантажити