Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Вторичные энергоресурсы и энергосбережение

Курс лекций для магистерской программы «Логистика технологических процессов и производств»
Покупка
Артикул: 797641.01.99
Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину
Дисциплина «Вторичные энергоресурсы и энергосбережение» занимает важное место в подготовке магистров, поскольку знакомит обучающихся с современными подходами к вопросам энергосберегающих промышленных технологий. В процессе освоения курса студенты получают представление о применяемом при этом оборудовании и протекающих физико-химических процессах. Особое внимание уделяется ознакомлению с возможностями и перспективами использования вторичных и техногенных материалов при создании энергосберегающих технологических схем. Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре по направлению подготовки «Металлургия», основная образовательная программа - «Логистика производственных процессов и технологий».
Полулях, Л. А. Вторичные энергоресурсы и энергосбережение : курс лекций для магистерской программы «Логистика технологических процессов и производств» / Л. А. Полулях, А. Ю. Терехова. - Москва : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 2020. - 82 с. - ISBN 978-5-907227-32-3. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1915424 (дата обращения: 29.03.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
Москва  2020

МИНИС ТЕРС ТВО НАУКИ И ВЫСШ ЕГО О Б РА З О ВА Н И Я РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ 

ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ 

«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»

ИНСТИТУТ ЭКОТЕХНОЛОГИЙ И ИНЖИНИРИНГА

Кафедра энергоэффективных ресурсосберегающих 

промышленных технологий

Л.А. Полулях 
А.Ю. Терехова

ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ  
И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ

Курс лекций для магистерской программы 
«Логистика технологических процессов  
и производств»

Рекомендовано редакционно-издательским 
советом университета

№ 3991

УДК 669.1.004.18 
 
П53

Р е ц е н з е н т 

д-р техн. наук, проф., академик РАН,  

профессор кафедры ЭРПТ НИТУ «МИСиС» Л.И. Леонтьев

Полулях Л.А.

П53  
Вторичные энергоресурсы и энергосбережение : курс 

лекций для магистерской программы «Логистика технологических 
процессов и производств» / Л.А. Полу-
лях, А.Ю. Терехова. – М. : Изд. Дом НИТУ «МИСиС», 
2020. – 82 с.

ISBN  978-5-907227-32-3

Дисциплина «Вторичные энергоресурсы и энергосбережение» занимает 
важное место в подготовке магистров, поскольку знакомит 
обучающихся с современными подходами к вопросам энергосберегающих 
промышленных технологий. В процессе освоения курса 
студенты получают представление о применяемом при этом оборудовании 
и протекающих физико-химических процессах. Особое внимание 
уделяется ознакомлению с возможностями и перспективами 
использования вторичных и техногенных материалов при создании 
энергосберегающих технологических схем.

Учебное пособие предназначено для студентов, обучающихся в магистратуре 
по направлению подготовки «Металлургия», основная образовательная 
программа – «Логистика производственных процессов 
и технологий».

УДК 669.1.004.18 

©Полулях Л.А., Терехова А.Ю., 

2020

ISBN 978-5-907227-32-3
©НИТУ «МИСиС», 2020

Содержание

Введение ........................................................................... 5
1. Классификация вторичных энергоресурсов ...................... 10
2. Источники образования вторичных энергоресурсов  
и способы их утилизации .................................................. 13

2.1. Черная металлургия ............................................... 13

2.1.1. Вторичные энергоресурсы в черной металлургии. 
Общие сведения ......................................................... 13
2.1.2. Агломерационное производство .......................... 18
2.1.3. Коксохимическое производство .......................... 19
2.1.4. Доменное производство ...................................... 21
2.1.5. Сталеплавильное производство ........................... 23

2.2. Цветная металлургия .............................................. 28
2.3. Химическая, нефтехимическая,  
нефтеперерабатывающая промышленность ...................... 30
2.4. Вторичные энергоресурсы гидро-  
и теплоэлектростанций .................................................. 31
2.5. Промышленность строительных материалов  .............. 33

3. Определение параметров вторичных  
энергетических ресурсов ................................................... 35
4. Современные отечественные и зарубежные технологии 
утилизации ВЭР .............................................................. 38

4.1. Система утилизации отходящих газов  
агломерационной установки ........................................... 38
4.2. Утилизация ВЭР коксохимического производства ....... 42

4.2.1. Установки сухого тушения кокса (УСТК) ............. 42
4.2.2. Использование коксового газа как ВЭР ................ 43

4.3. Возможности утилизации доменного газа на 
металлургическом комбинате ......................................... 47
4.4. Процесс выплавки электростали с непрерывной  
загрузкой горячей шихты и использованием теплоты 
отходящих газов (процесс Consteel) ................................. 51
4.5. Энергетические теплоиспользующие установки  ......... 54

5. Использование ВЭР на металлургических  
комбинатах России .......................................................... 61

5.1. Состояние и перспективы утилизации вторичных 
энергоресурсов на ПАО «Северсталь» ............................... 61
5.2. Управление использованием вторичных  
топливных газов на Магнитогорском металлургическом 
комбинате .................................................................... 71

Заключение .................................................................... 78
Библиографический список  .............................................. 79

ВВЕДЕНИЕ

Одной из важнейших проблем, стоящих в настоящее время 

перед отраслями черной и цветной металлургии, а также и перед 
другими промышленными сферами, является снижение удельных 
расходов исходных материалов и энергии на единицу производимой 
продукции, т.е. проблема создания и интенсивного развития 
энерго- и ресурсосберегающих технологий.

Вторичные энергоресурсы, или ВЭР, могут быть востребованы 
непосредственно без изменения вида энергоносителя (для 
удовлетворения потребности в теплоте и топливе) или с измене-
нием вида энергоносителя путем выработки тепла, электроэнер-
гии, холода или механической работы в утилизационных уста-
новках. 

Многие отрасли народного хозяйства располагают значитель-

ным резервом топливных и тепловых ВЭР, занимающих зна-
чительное место в их топливно-энергетическом балансе. Наи-
большими тепловыми ВЭР располагают предприятия черной и 
цветной металлургии, химической, нефтеперерабатывающей и 
нефтехимической промышленности, промышленности строи-
тельных материалов, газовой промышленности, тяжелого ма-
шиностроения [1].

Именно в этих отраслях широко используется теплота вы-

сокого, среднего и низкого потенциалов. Из почти 90 % тепло-
ты высокого потенциала (> 623 К) около 33 % идет на плавку, 
40 % – на нагрев и около 20 % – на обжиг руд и минерального 
сырья. Получение большей части теплоты высокого потенциала 
обеспечивается за счет сжигания различных видов топлива не-
посредственно в технологических установках.

Теплота среднего (373–622 К) и низкого (323–423 К) потенци-

ала применяется для теплоснабжения потребителей, требующих 
повышенных значений температуры и давления. 

Принципиальная схема использования ВЭР, представленная 

на рисунке, иллюстрирует отдельные потоки и сечения, по кото-
рым определяются их количественные показатели.

Таким образом, использование вторичных энергоресурсов, 

неизбежно возникающих в различных технологических про-
цессах, является одним из существенных резервов энергосбе-

режения. Выход вторичных энергоресурсов зависит от целого 
ряда факторов: параметров, при которых протекает процесс, его 
режима, конструктивного исполнения технологического обо-
рудования и др. В общем случае суточный (и сезонный) выход 
ВЭР характеризуется значительной неравномерностью, поэтому 
различают показатели удельного и общего выхода ВЭР – макси-
мальный, средний и минимальный (гарантированный), как в су-
точном, так и сезонном разрезе. В любом случае утилизации ВЭР 
эффективность их использования определяется достигаемой 
экономией первичного топлива и обеспечиваемой за счет этого 
экономией затрат на добычу, транспортирование и распределе-
ние топлива (энергии). Поэтому важное условие экономической 
эффективности ВЭР – правильное определение вида и количе-
ства топлива, которое экономится при их утилизации.

Каждая технологическая установка характеризуется опреде-

ленным энергетическим КПД, показывающим, какая величина 
подведенной к процессу энергии теряется. На практике проис-
ходит постоянная борьба с потерями, используются самые раз-
личные способы их сокращения, в том числе организационно-
технические, связанные с наладкой технологических процессов 
и режимов работы агрегатов, улучшением изоляции технологи-
ческого оборудования, трубопроводов горячей воды, пара и пр.

Современная схема использования ВЭР представлена на ри-

сунке [2]. 

Один из путей снижения потерь – использование возмож-

ности возвращения части потерь энергии непосредственно в тот 
процесс, в котором они образуются. Многочисленные исследова-
ния подтверждают энергетическую и экономическую эффектив-
ность регенерации и рекуперации энергии. После этого остаются 
только потери, которых по данной технологии при существую-
щем уровне развития техники уменьшить и избежать нельзя. 
Эту часть энергетических потерь и принято считать вторичными 
энергоресурсами, которые обычно подразделяют на горючие, те-
пловые и избыточного давления.

В целом следует заметить, что использование ВЭР во многих 

случаях экономически эффективно, поскольку удельные капи-
тальные вложения в установку по утилизации тепловых ВЭР, 
отнесенные к 1 т сэкономленного топлива, ниже, чем цена то-

плива с учетом его транспортировки. Поэтому важное значение 
имеют планирование и стимулирование использования ВЭР.

Схема использования ВЭР

Для наиболее полного выявления и эффективного использо-

вания ВЭР на каждом действующем предприятии, в объедине-
нии при разработке паспорта предприятия обеспечивается учет 
всех образующихся ВЭР, возможных направлений использова-
ния и способов их утилизации. Все включаемые в план меропри-
ятия по повышению уровня использования ВЭР должны быть 
экономически обоснованы. При ограниченности капиталовло-
жений в первую очередь следует предусматривать мероприятия, 
осуществление которых обеспечивает наибольший экономиче-
ский эффект.

Экономия топлива зависит от направления использования 

ВЭР и схем топливо- и энергоснабжения предприятия. При те-
пловом направлении использования ВЭР экономия топлива 
определяется путем сопоставления количества тепла, получен-
ного от использования ВЭР, с технико-экономическими пока-
зателями выработки того же количества и тех же параметров 
тепла в основных энергетических установках. При силовом на-
правлении использования ВЭР выработка электроэнергии (или 
механической энергии) сопоставляется с затратами топлива 
на выработку электроэнергии (или механической энергии) в ос-
новных энергоустановках.

При определении экономической эффективности использо-

вания ВЭР сопоставляют варианты энергоснабжения, которые 
удовлетворяют потребности данного производства во всех видах 
энергии с учетом использования ВЭР, удовлетворяют те же по-
требности и без учета использования ВЭР. Основными показа-
телями сопоставимости этих вариантов служат создание опти-
мальных (для каждого из вариантов) условий их реализации, 
обеспечение одинаковой надежности энергосбережения, дости-
жение необходимых санитарно-гигиенических условий и без-
опасности труда, а также наименьшее загрязнение окружающей 
среды.

Одно из основных направлений повышения эффективности 

производства и использования энергетических ресурсов в про-
мышленности – увеличение единичной мощности агрегатов, 
концентрация производства и создание укрупненных комбини-
рованных технологических процессов. Особенно это эффективно 
для технологических процессов с большим выходом тепловых 

ВЭР, т.е. для предприятий химической, нефтеперерабатываю-
щей, целлюлозно-бумажной и металлургической промышлен-
ности. Создание крупных комбинированных производств по-
зволяет использовать ВЭР одних процессов для нужд других, 
входящих в общий комбинированный комплекс [2].

Развитие энерго- и ресурсосберегающих технологий помимо 

улучшения экономических и технических показателей работы 
агрегатов будут также способствовать снижению экологической 
нагрузки на окружающую среду. Использование вторичных 
энергоресурсов стало одной из перспективных энергосберегаю-
щих технологий, получивших наиболее широкое развитие.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ВТОРИЧНЫХ 

ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

В соответствии с официальным определением вторичные 

энергоресурсы – это энергетический потенциал (запас энергии 
в виде физической теплоты, потенциальной энергии избыточного 
давления, химической энергии и др.) продукции, отходов, побочных 
и промежуточных продуктов, которые не могут быть использованы 
в самом агрегате, но могут частично или полностью 
применяться для энергоснабжения других потребителей [3].

По виду содержащегося в них энергетического потенциала 

ВЭР подразделяются на три основные группы:

 
– горючие;

 
– тепловые;

 
– избыточного давления. 

Горючие ВЭР – это отходы одного производства, которые могут 
быть утилизированы непосредственно в виде топлива в других 
производствах. К ним относятся, например, технологические 
газы черной и цветной металлургии, жидкие и твердые 
топливные отходы химической и нефтегазоперерабатывающей 
промышленности, щепа, опилки, стружка, щелоки деревообрабатывающей 
и целлюлозно-бумажной отраслей. 

Тепловые ВЭР – это физическая теплота отходящих газов, основной 
и побочной продукции производства, нагретых металла, 
шлаков и зол, горячей воды и пара, отработанных в технологических 
установках, системах охлаждения и пр. 

Следует отметить, что тепловая энергия отходов, выходящая 

из технологического агрегата и используемая для подогрева вещественных 
потоков, поступающих в этот же агрегат (процессы 
регенерации и рекуперации), ко вторичным энергоресурсам 
не относится. 

ВЭР избыточного давления – это потенциальная энергия покидающих 
установку газов, воды, пара, имеющих повышенное 
давление, которое может быть еще применено перед выбросом 
в окружающую среду. Основное направление утилизации таких 
ВЭР – получение электрической или механической энергии. 

Многие горючие ВЭР, например черной металлургии, имеют 

низкую теплоту сгорания и химически агрессивны. Это создает 

значительные трудности при их утилизации. Они же имеют место 
и при сжигании высококалорийных, но одновременно легко 
воспламеняемых, взрывоопасных и токсичных ВЭР (водород, сухие 
абгазы и др.). 

Для утилизации горючих вторичных энергетических ресурсов 
часто необходимо специальное оборудование, однако основной 
путь их использования – применение в агрегатах индустриальных 
технологий. 

Тепловые ВЭР – наиболее распространенный вид энергетических 
отходов. Их утилизация проводится практически повсеместно. 
В то же время привлекаются в основном высокопотен-
циальные (высокотемпературные) тепловые ВЭР. Значительно 
меньше востребованы среднетемпературные энергетические отходы, 
низкотемпературные применяются еще реже. 

Основное оборудование для использования тепловых ВЭР – 

котлы-утилизаторы (к/у), системы испарительного охлаждения 
промышленных печей, различного рода теплообменники, в том 
числе контактные нагреватели. 

ВЭР избыточного давления образуются в ряде металлургических, 
химических, нефтеперерабатывающих производств. Ими 
могут обладать жидкие и газообразные отходы. Однако их применение 
пока не носит массового характера (избыточное давление 
доменного газа используют, например, в газовых беском-
прессорных турбинах) [4]. 

По температуре, с которой тепловые ВЭР покидают технологические 
агрегаты, их делят на высоко-, средне- и низкопотенциальные. 


Четкой градации ВЭР по этому признаку нет. Можно принять, 
что к высокопотенциальным относятся ВЭР, температура 
которых превышает наименьшую температуру газов в автоген-
ном процессе сжигания топлива (не менее 600 °С). К низкопо-
тенциальным принадлежат ВЭР, представляющие собой жид-
кости с температурой менее 100 °С и газы с температурой ниже 
300 °С [5]. В этом случае среднепотенциальные ВЭР по темпера-
туре будут занимать промежуточное положение между высоко- 
и низкопотенциальными энергетическими отходами. 

В целом основными источниками тепловых ВЭР в различных 

отраслях промышленности являются технологические агрега-

ты, как правило, недостаточно совершенные с энергетической 
стороны. Особенно неблагоприятны с точки зрения использова-
ния теплоты сгорания топлива нагревательные и термические 
печи (их тепловой КПД равен 12–18 %), вагранки чугунолитей-
ных цехов (теплопотери с газами превышают 50–60 %), паровые 
котлы низкого давления (КПД порядка 50 %), паровые молоты 
кузнечных цехов (КПД не более 2–5 %) и др. 

Разработка методов и способов утилизации ВЭР промышлен-

ных предприятий в нашей стране началась в 1920–1930-е гг. 
Тогда были заложены теоретические основы энергосбережения 
и предложены первые технические решения. Наиболее значи-
тельные достижения в практике утилизации тепловых отхо-
дов приходятся на послевоенные годы (конец 1940-х – начало 
1950-х гг.). 

В 1960–1970-х гг. за счет использования ВЭР в стране еже-

годно экономилось около 20 млн т условного топлива. Примерно 
на этом же уровне (около 25 млн т/год) сохранялось энергоснаб-
жение за счет ВЭР в следующие 10 лет. 

Однако следует отметить, что за этот период объем энергопо-

требления вырос в 2,4 раза, а общая экономия энергоресурсов 
снизилась за 1960–1970 гг. с 270 млн до 135 млн т у.т./год за по-
следующее десятилетие. Эта негативная тенденция была связана 
со снижением в 1960-х гг. стоимости первичных энергоресурсов 
за счет массового вовлечения в топливный баланс страны нефти 
и природного газа. 

Начиная с конца 1970-х – начала 1980-х гг. интерес к исполь-

зованию ВЭР вновь возрастает, поскольку энергоемкость едини-
цы валового внутреннего продукта в нашей стране существенно 
(до 11 раз в сравнении с Японией) превысила уже достигнутый 
за рубежом уровень. 

По мере интеграции в мировую экономику и в связи с пер-

спективой вступления страны в ВТО такое положение приво-
дит к все большей неконкурентоспособности нашей продукции 
на мировом рынке. Именно поэтому в настоящее время одной 
из важнейших задач народного хозяйства России является все-
мерное использование ВЭР. Лидируют здесь рассматриваемая 
далее черная и цветная металлургия, а также некоторые другие 
секторы материального производства [4].

Доступ онлайн
2 000 ₽
В корзину