Применение парогазовых установок в металлургии

Сегодня средняя энергоемкость 1 тонны отечественной металлургической продукции составляет 1.9 тонны условного топлива, при этом, в развитых европейских странах данный показатель составляет около 0.2 т у.т. Как видим, снижение энергоемкости производства все еще остается одной из главных задач металлургического сектора страны. Максимальное использование вторичных энергоресурсов (доменный, конвертерный и коксовый газы) в парогазовых установках (ПГУ) на меткомбинатах позволит одновременно решить не только проблему высокого показателя энергоемкости, но и экологические проблемы отрасли (уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу, снизить тепловое загрязнение, обусловленное сжиганием газов «в свече»), а также уменьшить потребление топлива. Тем самым конкурентоспособность металлургических предприятий будет повышаться как на отечественном, так и на зарубежном рынках.

ПреимуществаПГУ

В настоящее время одним из главных направлений в решении задач повышения эффективности, экологичности, снижения материало- и капиталоемкости, улучшения надежности и эксплуатационных свойств энергетических установок является внедрение комбинированных парогазовых установок. Парогазовая технология в последнее время стала наиболее популярной в мировой энергетике, на нее приходится около двух третей всех вводимых генерируемых мощностей. Широкое распространение данной технологии обусловлено тем, что энергия сжигаемого в парогазовых установках топлива используется в бинарном цикле — сначала в газовой турбине, а потом в паровой, что делает ПГУ эффективнее любых тепловых станций, работающих только в паровом цикле. Другое важное преимущество ПГУ заключается в том, что на их строительство требуются значительно меньшие капиталовложения, к тому же энергоблоки можно вводить в эксплуатацию поэтапно — сначала газотурбинную часть, а потом паровую.

Для повышения надежности электроснабжения и максимальной утилизации сбросных газов (доменного, конвертерного и коксового) металлургических предприятий использование ПГУ — наиболее оптимальный вариант. Однако при проектировании таких установок на меткомбинатах необходимо учитывать, что из-за особенностей технологических процессов в металлургии выход топливных газов весьма нестабилен, а потребитель имеет определенные требования к стабильной поставке больших объемов топливных газов с заданной калорийностью, диапазоном и скоростью ее изменения.

Так, для доменных печей нестабильность производства топливных газов характеризуется как кратковременной и интенсивной пульсацией расхода доменного газа продолжительностью 5-10 минут со скоростью изменения расхода газа до 5.0 тыс. куб нм/мин, обусловленной технологическим процессом, так и более продолжительными скачками при замене фурм или проведении ремонтно-профилактических работ. Для конвертеров возможно резкое увеличение вдвое выхода конвертерного газа в течение 12-14 минут при одновременной продувке двух конвертеров или снижение общего часового выхода конвертерного газа вдвое при остановке одного из конвертеров для проведения ремонтно-профилактических работ. Только для коксохимического производства присуща сравнительная стабильность выхода коксового газа и его характеристик.

Для решения данной проблемы и нивелирования нестабильности выхода топливных газов при проектировании ПГУ для металлургических предприятий применяют газгольдеры, газоповысительные станции, газопроводы больших диаметров и запорно-регулирующую арматуру для них.

В целом, основные результаты, которых удается достигнуть при внедрении ПГУ в металлургическом комплексе, — это значительное сокращение выбросов оксидов углерода и азота, а также сернистого ангидрида в связи с выводом из эксплуатации существенной части мощностей ТЭЦ. Также среди положительных результатов можно выделить минимизацию количества загрязняющих веществ в выбросах ПГУ по сравнению с выбросами котлов ТЭЦ благодаря контролируемому смешиванию газов на газосмесительной станции ПГУ и оптимизации процессов горения в камере сгорания газовой турбины. Данное преимущество ПГУ очевидно по сравнению с процессами сжигания доменного и конвертерного газов «в свече». Излишки же коксового газа сегодня вообще выбрасываются в атмосферу без дожигания. За счет ввода в эксплуатацию ПГУ потребление электроэнергии из национальной электроэнергетической сети уменьшается.

Отечественные производители установок

Украина имеет собственные разработки в области парогазовых установок средней и большой мощности, которые могут быть использованы для покрытия пиковых нагрузок, в т.ч. в металлургии. Основным отечественным производителем ПГУ является государственное предприятие научно-производственный комплекс газотурбиностроения «Зоря-Машпроект» (г. Николаев). Предприятием совместно с государственным институтом по проектированию предприятий коксохимической промышленности «Гипрококс» (г. Харьков) разработаны специальные парогазовые установки, работающие на вторичных топливных газах металлургического производства.

Основным оборудованием таких установок являются газотурбинный двигатель совместно с электрогенератором, воздухокомпрессором и камерой сгорания, паровой котел-утилизатор, дожимающий компрессор для повышения давления коксового газа и паровая турбина с электрогенератором. Все оборудование изготавливается в Украине и России, что делает их значительно дешевле зарубежных аналогов; они легче адаптируются для работы на отечественных металлургических предприятиях и имеют большие преимущества при проведении капитальных ремонтов оборудования. Схемы ПГУ органично вписываются в существующие схемы металлургических предприятий и позволяют максимально использовать существующие оборудование и коммуникации.

ПГУ могут быть разработаны на любую мощность, исходя из особенностей метзаводов и позволяют вырабатывать электрическую и тепловую энергию с КПД, значительно превышающим КПД традиционно используемого паротурбинного цикла (электрический КПД более 40%), за счет сжигания более дешевого, по сравнению, скажем, с природным газом топлива. Это обеспечивает минимальную себестоимость электроэнергии и тепла и минимальный срок окупаемости.

Несмотря на высокую экономичность, парогазовая технология пока не получила широкого развития в металлургическом секторе Украины. Со слов начальника энергетического отдела «Гипрококса» Сергея Абдулина, в свое время практически на все украинские металлургические предприятия были направлены технико-коммерческие предложения строительства ПГУ, работающих на коксовом газе (срок окупаемости при капитальных затратах $10-20 млн. составлял 1.1-2.0 года), однако до сих пор на них никто так и не откликнулся. По предположению Сергея Абдулина, это связано с кризисом, а также с тем, что данная технология предполагает сжигание чистого кокса без добавок, что влечет за собой некоторые риски. Однако с метпредприятиями других стран дела обстоят несколько лучше. Так, на стадии ТЭО находится данный проект у Новолипецкого металлургического комбината (Россия) и Руставского металлургического завода (Грузия).

Практическое применение в Украине

Тем не менее, использование ПГУ в металлургическом комплексе Украины достаточно перспективно, ведь собственная потребность отрасли в электроэнергии составляет до 2000 МВт, причем, часть этой мощности используется в дневное время.

По данным ГП НПКГ «Зоря-Машпроект», утилизация теплоты доменного газа при использовании парогазовых установок ПГУ-150 мощностью 150 МВт позволит не только повысить КПД утилизации от 10-12% (паротурбинный блок) до 40-45%, но и произвести в масштабе страны до 2,0 ГВт/часов электроэнергии, которые могут быть направлены на собственные нужды металлургии, что может существенно снизить нагрузку на тепловую энергетику.

В настоящее время лишь на одном украинском металлургическом предприятии ведется строительство парогазовой электростанции для утилизации вторичных газов — на Алчевском металлургическом комбинате. В составе станции запланировано 3 ПГУ общей мощностью 454 МВт. В качестве топлива используется низкокалорийная смесь доменного, коксового и конвертерного газов. Электростанция будет генерировать до 3 млрд. кВт/час электроэнергии в год, что полностью покроет собственные нужды комбината в электропотреблении. Установка будет работать без использования природного газа.

Новая электростанция позволит также на порядок сократить вредные выбросы комбината в атмосферу. Сегодня АМК ежегодно выбрасывает в атмосферу 98,1 тыс. т вредных веществ, в том числе 77,8 тыс. СО₂. Из общего количества выбросов около 68,3 тыс. т в год дает агломерационный цех. После ввода в эксплуатацию и при последующей работе ПГУ мощность выбросов сократится до около 3,1 тыс. т в год.

К настоящему времени на предприятии введены в эксплуатацию 2 ПГУ общей мощностью 303 МВт. Установленное оборудование имеет КПД на уровне 45%. Но, к сожалению, используемое на АМК оборудование поставлено японскими компаниями Sumitomo и Mitsubishi, и общая стоимость проекта составляет порядка $480 млн., что, по расчетам специалистов ГП НПКГ «Зоря-Машпроект» значительно выше, чем если бы проект создавался на основе отечественных ПГУ-150.

Строительство парогазовой электростанции для утилизации доменных, конвертерных и коксовых газов (аналогичной проекту АМК) было запланировано на Днепровском МК им. Дзержинского, который относится к той же группе «Индустриальный союз Донбасса». О внедрении двух парогазовых установок мощностью 151 МВт каждая заявлял и МК «Азовсталь». Однако на сегодняшний день несмотря на очевидную выгодность таких проектов они остаются лишь на бумаге.

Редакция благодарит www.Rusmet.ru
и Ольгу Фомину
за предоставленные материалы