Модель энергосбережения для связанных процессов металлургии стали

Введение

Металлургия стали является ключевой отраслью национальной экономики Китая, она определяет развитие основных отраслей промышленности и конкурентоспособность государства на мировых рынках. В 2017 г. Китай произвел в 3 раза больше стали, чем США, Россия и Япония вместе взятые. Сталь превратила китайские судостроение и автомобилестроение в крупнейшие в мире [1]. Металлургия стали – это отрасль c длительными производственными циклами и высоким энергопотреблением. При этом производство стали является опасным источником загрязнения атмосферы отходящими газами и твердыми выбросами, в которых содержатся различные токсичные вещества. Энергосбережение и снижение выбросов в металлургии стали имеют решающее значение для национальной экономики Китая [2]. Председателем КНР Си Цзиньпином еще в 2014 г. были сформулированы основные принципы новой энергетической стратегии Китая FROCSV (Four Revolutions and One Cooperation Strategic Vision), в числе которых реформа энергопотребления, предполагающая повышение энергоэффективности [1]. Черная металлургия Китая добилась значительного прогресса в повышении энергоэффективности – снизилась средняя интенсивность общего энергопотребления на крупнейших сталелитейных предприятиях. Разработана методология количественной оценки энергетических и экологических выгод (сокращения выбросов CO₂, загрязняющих веществ в атмосферу и экономии воды), связанных с 36 мерами по повышению энергоэффективности [3]. Ключевой темой исследований по энергосбережению в 2011 – 2025 гг. является синергетическое функционирование материального потока и потока энергии [4] согласно модели энергосбережения для черной металлургии Китая IECUA (Industrial Energy Conservation Uncertainty Analysis) [5].

В настоящее время в России при производстве стали активно используются современные энерго- и ресурсосберегающие экологически безопасные технологии, что делает особенно актуальным анализ опыта китайских ученых в этом вопросе [6]. Внедряются малоэнергоемкие металлургические технологии (непрерывная разливка стали, испарительное охлаждение и др.) [7]. Технология сухой грануляции шлака с использованием его физического тепла, разработанная российскими учеными-металлургами, используется на металлургических заводах Китая [8]. Разработана и внедрена энергоэффективная экологичная технология вдувания горячих восстановительных газов в доменную печь (рециклинг доменного газа) [9]. Существуют лишь два маршрута производства стали: доменная печь – кислородный конвертер (BF – BOF) и электродуговая печь (EAF) [10]. В Китае и России в качестве основного маршрута производства стали используется маршрут BF – BOF [11], что создает условия для обмена опытом. В Китае энергетическая эффективность (EI) при производстве стали достигается путем применения энергосберегающих и рекуперативных технологий, таких как:

– использование отходящего тепла и конвертерного газа;

– комплексное использование отходов сталелитейного производства [11];

– широкое применение энергосберегающих технологий, сокращающих выбросы CO₂ [12].

На маршруте BF – BOF материальные и энергетические потоки тесно связаны, обеспечивая движение и трансформацию железосодержащих материалов и энергии [13]. Китайскими учеными разработаны структурные модели энергетических потоков в рамках концепции IDDD+N (Integration of the processes, Differentiation of the demand, Diversification of the supply, Decentralization of the grid, and Network of multi-energy flows) для оптимизации использования энергии, интеграции технологических процессов и децентрализации управления производством [14]. Структурная модель энергетических потоков включает системы преобразования, использования, рекуперации тепла, буферизации и хранения энергии. Фактически, металлургические предприятия производят и потребляют энергию одновременно: BF потребляют уголь и производят кокс и доменный газ (COG), BOF потребляют электроэнергию и кислород и производят Linz-Donawitz Gas (LDG) [15], т. е. являются просьюмерами [16]. Математическое моделирование позволяет провести количественное исследование структурных моделей энергосбережения [10; 17], в частности, применяется специализированное программное обеспечение METSIM и SYSCAD, которое позволяет рассчитывать баланс тепла/материала [18]. В работах [19; 20] отмечено, что в структурных моделях энергетических потоков необходимо учитывать взаимодействие и синергию между потоками материалов и энергии. В последнее время популярна концепция умного производства стали как часть «Индустрии 4.0», которая строится на киберфизических системах (CPS) [21 – 24]. Актуальна задача декарбонизировать металлургическую промышленность [25], в настоящее время разрабатываются технологии улавливания и хранения углерода (CCS) [26].

Китайскими учеными создана концептуальная модель связей между потоками материалов, энергии и выбросов на маршруте BF – BOF, включая коксохимическое, агломерационное и чугунолитейное производства, где побочные газы используются в качестве топлива с последующей передачей излишков на электростанции для генерации энергии [27]. Модель предполагает макро-сетевое управление процессом производства стали с учетом взаимосвязи потоков материалов, энергии и информации для достижения «минимального» потребления энергии, материалов и выбросов [28]. Lu Zhongwu предложил концепцию связанного сбережения энергии и материалов для металлургической промышленности [29]. На основе феноменологической модели движения вещества (железа) в технологическом цикле получения стали была получена система уравнений для расчета показателей потока веществ и связей между ними [30]. Yin Ruiyu предложил ряд мер по энергосбережению и сокращению выбросов, основанных на управлении связанными потоками железосодержащих материалов и энергии. Его концепция – «покупать только уголь, не покупать электроэнергию и топливо» и «нулевые выбросы» побочных газов и других энергоносителей [31]. Yin Ruiyu создал теорию динамической интеграции для «массы – энергии – времени – пространства – информации» процессов производства стали на основе анализа основных элементов и характеристик процессов [32]. Yongqi Sun, Zuotai Zhang разработали модель утилизация доменных шлаков (BFS) и сталелитейных шлаков (SS) на основе интеграции рекуперации отходящего тепла, повторного использования материалов и контроля кристаллизации шлаков [33]. Получена интеллект-карта интеграции материальных и энергетических потоков на предприятиях по производству стали [34]. В работе [35] представлен аналитический обзор публикаций по декарбонизации черной металлургии в контексте финансовых, организационных и поведенческих аспектов. Заслуживают внимания многочисленные работы китайских ученых о взаимосвязи потоков материалов и энергии для процесса агломерации [36 – 38]. Эксергетический анализ в металлургии стали служит теоретической базой энергосбережения, поскольку эксергетический учет потоков энергии и материалов обеспечивает интегрированную оценку ресурсов, продуктов и отходов на различных уровнях производства, от единичных операций и этапов производства до сталелитейных заводов и производственных маршрутов, а эксергетические показатели легко могут быть связаны с технико-экономическими [39].

В России также принята аналогичная модель энергосбережения для связанных процессов металлургии стали, которая включает следующие комбинированные методы энергосбережения для металлургических процессов: повышение производительности доменной печи при реализации технологий вдувания горячих восстановительных газов и замены качественных руд на концентрат сидеритовой руды (КОСР); использование в рефрижераторном оборудовании СО₂, отмытого из доменного газа; полная утилизация теплоты конвертерного газа для обжига КОСР [40].

Методика проведения исследования

Теоретической и методологической основой концептуальной модели энергосбережения для связанных процессов металлургии стали является интеграция нескольких научных подходов: системного, аналитического и компаративистского. Это обеспечило проработку основных аспектов проблемы и поставленных задач, позволило выявить новые закономерности энергосбережения для связанных процессов металлургии стали и показателей качества энергосбережения. С целью выявления основных тенденций развития понятия «связанные процессы» в контексте управления сбережением энергии и материалов, экологической безопасностью, в технологических процессах металлургии стали применялись методы теоретико-методологического анализа (сравнительный, ретроспективный, модельный), компаративистский анализ научной литературы, методы систематизации имеющегося у авторов статьи опыта по организации энергосбережения.

Проведено концептуальное исследование методов сопряженного снижения энергопотребления в процессах производства стали, основанных на принципе каскадного использования энергии и анализе причин скачков энергопотребления. Предлагаются новые методы сетевого распределения энергии и сопряженного снижения энергопотребления в процессах производства стали с целью увеличения эффективности энергопотребления. Цель работы – в соответствии с принципами «соответствия температур, каскадного использования и глобальной связи» разработать модели связи температуры, давления и отрасли производства для энергосбережения в связанных процессах производства стали. Разработаны структурные модели технологических процессов агломерации, коксования, производства окатышей, получения чугуна в доменной печи, получения железа в кислородном конвертере и электропечи, прокатки стали, которые объединены в структурную модель технологического процесса производства стали.

Результаты исследования

В качестве объектов исследования рассмотрим агломерационный и коксовый процессы. Структурная модель агломерации (рис. 1) включает агломерационную машину, охладитель, оборудование для дробления, просеивания и смешивания. Железосодержащий материал превращается в агломерат, который после охлаждения отправляется в доменную печь. Высокотемпературные отходящие газы используются для утилизации остаточного тепла. Структурная модель коксования (рис. 2) включает технологии трамбовки кокса и его гашения. Входные материалы превращаются в красный горячий кокс, который после охлаждения отправляется в бункер или возвращается в сырье. Коксовый и отходящий газы, а также горячий азот из процесса гашения кокса направляются на утилизацию тепла и энергосбережение.

В качестве объектов исследования рассмотрим процессы производства окатышей и получения чугуна. Структурная модель производства окатышей (рис. 3) включает мешалку, гранулятор, сортировочное устройство, цепной решетчатый конвейер, оборотную печь и охладитель. Из порошкообразного концентрата и связующих веществ формируются сырые окатыши, которые после спекания и охлаждения направляются в доменную печь или возвращаются для переработки. Холодный отходящий воздух используется для энергосбережения. Структурная модель процесса получения чугуна (рис. 4) включает доменную печь и воздухонагреватель. В доменной печи из агломерата, кокса, окатышей и кусковой руды с добавлением воздуха производится чугун. Отходящие газы и шлак используются для дальнейшей утилизации и энергосбережения.

Для исследования рассмотрим процессы получения стали в конвертере и в электрической печи. Структурная модель процесса получения стали в конвертере (рис. 5) включает оборудование для предварительной обработки чугуна, конвертер, ковш для перевозки стали, устройство вторичной обработки и ковш для разливки. Выходные материалы включают сталь, шлак, конвертерный газ и пыль. Отходы используются для утилизации тепла и энергии. Структурная модель процесса получения стали в электрической печи (рис. 6) включает оборудование для предварительной обработки чугуна, саму электрическую печь, ковш для перевозки, устройство вторичной обработки и ковш для разливки. Входные и выходные материалы схожи с конвертерным процессом. Отходы также направляются на утилизацию тепла и энергии.

В качестве объекта исследования рассмотрим процесс прокатки стали и создадим структурную модель этого технологического процесса (рис. 7). Основное оборудование процесса прокатки включает машины непрерывного литья, нагревательные печи, станы горячей и холодной прокатки. В модели технологического процесса прокатки стали входные материалы включают сталь, кислород, воду, смазочные материалы, огнеупорные материалы, газ и воздух для горения. Входные материалы сначала проходят через машину непрерывного литья, где они затвердевают и формируются в литые заготовки. Затем, после нагрева в печи, заготовки отправляются в различные цеха прокатки для обработки в продукцию разных видов (профиль, пруток, рельсы, бесшовные трубы, листы и полосы). При этом отходящие газы, образующиеся в нагревательных печах, рассматриваются в структурной модели (рис. 8) как направление выхода из операционной рамки технологического процесса прокатки для утилизации остаточного тепла и энергосбережения.

На завершающем этапе исследования структурные модели технологических процессов агломерации, коксования, производства окатышей, получения чугуна в доменной печи, получения железа в кислородном конвертере и электропечи, прокатки стали объединены в структурную модель технологического процесса производства стали (рис. 8).

На основе базовых принципов связанного энергосбережения, каскадного использования энергии и минимизации потерь предложены модели тепловой связи, связи по давлению и межотраслевой связи для отдельных технологических процессов металлургии стали – агломерации, коксования, производства окатышей, получения чугуна в доменной печи, получения железа в кислородном конвертере и электропечи, прокатки стали (рис. 8). Тепловая связь заключается в том, чтобы связать процесс, где производится избыток тепла, с процессами, которые потребляют тепло, с целью обеспечить наилучшее соответствие между производством и потреблением тепловой энергии в каждом процессе и тем самым уменьшить зависимость от внешних источников тепла и повысить эффективность использования энергии во всем металлургическом процессе. В связанных по давлению процессах производимый избыток давления передается в процессы с подходящим давлением, чтобы достичь наилучшего соответствия между подачей и потреблением тепловой энергии в каждом процессе и тем самым сократить поставки давления из внешних источников и повысить энергетическую эффективность всего металлургического процесса. Отраслевая связь предполагает связывание избытков материалов и энергии в металлургическом производстве с потребителями из других отраслей, которые могут применять их с целью повышения эффективности использования материалов и энергии. Энергосбережение через отраслевую связь реализуется путем передачи избытков материалов и энергии металлургического процесса в связанные отрасли, установления связи между металлургической отраслью и другими отраслями для обеспечения взаимосвязи материального и энергетического обеспечения с целью повышения эффективности использования материалов и энергии.

Обсуждение результатов исследования

В работе представлена концептуальная структурная модель связи температуры, давления и отрасли производства для энергосбережения в связанных процессах металлургии стали. Модель разработана на основе принципов соответствия температур, каскадного использования и глобальной связи. В отличие от матричной модели взаимосвязи потоков материала, энергии и выбросов для предприятия черной металлургии [26], представленная модель универсальна по отношению к отдельным технологическим процессам черной металлургии, отражает тепловую связь, связь по давлению, связь по отрасли и позволяет оптимизированный процесс производства стали на основе экономии материалов, энергии и снижения выбросов. Lu Zhongwu [28; 29] исследовал влияние логистики в процессе производства стали на энергопотребление и расход железа. Он обнаружил, что выведение из производственного процесса материалов, содержащих железо, приводит к увеличению энергопотребления и расхода железа на 1 т материала. Циркуляция материалов, содержащих железо, внутри одного процесса или между процессами не влияет на расход железа на 1 т, но приводит к увеличению энергопотребления на 1 т материала. Следовательно, необходимо максимально сократить количество циркуляций материалов, содержащих железо, что отражено в правилах моделирования. Lu Zhongwu [30] использовал методы Лагранжа и Эйлера для описания движения жидкости. Он также объяснил модель следящего наблюдения за потоком материала на основе диаграммы потока железа в жизненном цикле стальных продуктов, что предоставило референцию для создания и оптимизации последующих металлургических процессов. Yin Ruiyu [31] описал модели поведения потоков железа и углеродно-энергетических потоков в процессе производства стали. Он проанализировал потенциал энергосбережения и сокращения выбросов в сталелитейной промышленности, среди которых одним из эффективных методов является оптимизация металлургических процессов. Yin Ruiyu [32] предложил теоретический подход для создания нового поколения процессов производства стали, основываясь на взаимодействии и синергии потоков материалов, энергии и информации в металлургическом процессе. Исходя из исследований потоков материалов и энергии в процессах производства стали, в сочетании с правилами моделирования металлургических процессов и реальными условиями металлургической инженерии, в данном исследовании разработана методика обозначения потоков материалов и энергии и создана структурная модель всего процесса металлургического производства. Данная модель учитывает не только потоки материалов и энергии, но также включает связанное преобразование давления, температуры и отраслевую интеграцию. Учитывая отдельные металлургические процессы, модель также акцентирует внимание на взаимодействии различных процессов, что значительно повышает эффективность энергосбережения и сокращения выбросов. Качественно описана аналогичная модель энергосбережения для связанных процессов металлургии стали в России, которая включает ряд комбинированных методов энергосбережения для металлургических процессов [40].

Выводы

В работе исследованы ключевые аспекты и тенденции в области энергосбережения в процессах металлургии стали как в Китае, так и в России. Анализ различных технологических процессов, включая агломерацию, коксование, производство окатышей, получение чугуна в доменной печи, получение железа в кислородном конвертере и/или электропечи, прокатку стали, показал значительный потенциал для повышения эффективности использования энергии и снижения вредных выбросов.

Основной результат работы заключается в том, что минимальное потребление энергии, материалов и сокращение выбросов возможно обеспечить, создавая новую концепцию взаимосвязи энергосбережения с технологическим процессом: «соответствие температур, каскадное использование, глобальная связь». Связанные процессы в металлургии стали – сложные процессы непрерывного и дискретного изменения потоков энергии и материалов. Модель взаимосвязи потоков материалов и энергии – ограниченная модель из связанных узлов технологического процесса для обеспечения сбережения энергии и материалов, а также управления выбросами. Разработаны структурные модели технологических процессов, охватывающих ключевые этапы процесса производства стали, включая агломерацию, коксование, производство окатышей, получение чугуна в доменной печи, получение железа в кислородном конвертере и электропечи, прокатку стали. Эти модели детально описывают роль и взаимосвязи каждого процесса в рамках полного металлургического цикла и объединены в структурную модель технологического процесса производства стали. Структурная модель технологического процесса производства стали отражает систему связей всех этапов металлургического производства, она не только включает конкретные операции и характеристики каждого этапа, но также объясняет, как эти процессы взаимодействуют и зависят друг от друга, формируя целостную и взаимосвязанную систему металлургического производства. Структурная модель процесса производства стали имеет важное значение для понимания и оптимизации всего процесса металлургического производства, способствует повышению его энергетической и экологической эффективности.