Исследование основных направлений устойчивого развития металлургического производства методом математического моделирования

В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕСИТЕТУ

2002 р. Вип.№12

УДК 669.1: 001.57

Буторина И. В.1, Харлашин П. С.2

ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ НАПРАВЛЕНИЙ УСТОЙЧИВОГО РАЗВИТИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА МЕТОДОМ МАТЕМАТИЧЕСКОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ

Разработана математическая модель, которая может быть использована для исследования жизненного цикла стали. С ее помощью определены пути устойчивого развития металлургического производства.

Устойчивое развитие мировой экономики является основной доктриной 21 века. Оно предполагает развитие всех видов деятельности человека в гармонии с окружающей средой, чего можно достичь максимально возможным сокращением материальных затрат и всех видов отходов при производстве продукции. Металлургическая отрасль является самым энерго- и материалоем-ким производством, сопровождающимся образованием большого количества отходов. Следовательно, от возможности устойчивого развития этой отрасли во многом зависит судьба устойчивого развития всей планеты. Уровень устойчивости промышленного производства, согласно международным договоренностям, оценивается по величине экономических и экологических показателей , включающих в себя величины удельных (отнесенные к тонне производимой продукции) затрат сырья и энергии, а также величин удельного образования отходов.

Проведенные нами расчеты показали, что экономические и экологические показатели украинской стали во много раз хуже аналогичных показателей производства черного металла в Западной Европе III, что неопровержимо доказывает необходимость проведения реконструкции отечественных металлургических предприятий. Учитывая, что на долю основного металлургического производства приходится подавляющая часть энергетических и ресурсных затрат, а также основная часть всех видов металлургических отходов, повышение эффективности и качества производства стали должно начинаться с агломерационных, доменных и сталеплавильных цехов. Исследуя жизненный цикл стали по всем этапам передела с учетом затрат, выхода годного продукта и отходов можно оптимизировать процесс металлургического производства и определить пути выхода его на современный уровень. Самым эффективным и универсальным способом подобного исследования является метод математического моделирования, широко применяемый в мировой практике.

В настоящей работе приведены краткие сведения о разработанной нами математической модели основного металлургического производства и результатах ее численного исследования, на основании которых определены необходимые мероприятия для выхода металлургической отрасли Украины и мариупольских металлургических комбинатов в частности на путь устойчивого развития.

Математическая модель включает в себя уравнения для расчета состава шихтовых материалов, уравнения материального и теплового баланса и расчетные зависимости, которые дают возможность определить эффективность улавливания вредных веществ в различных газоочистных аппаратах, а также степень их рассева в окружающей среде. Исходной базой данных служат введенные в модель сведения о химическом составе различных видов металлургического сырья. Математическое описание материального баланса, наряду со стехиометрическими соотношениями протекающих в агрегатах химических реакций, включает в себя расчетные зависимости для определения количества пыли и других вредных веществ, образующихся в печах основного металлургического производства.

Для расчета выбросов вредных веществ от агломерационного процесса (пыли, СО S02 NOx ) использовались, разработанные нами математические описания, которые дают возможность

1 ПГТУ, канд.техн.наук, доцент;

2 ПГТУ, д-р техн.наук, проф.

учесть не стационарность процесса по длине и высоте спекаемого слоя, влияние выбросов химического и фракционного состава шихты, а также таких технологических параметров , как высота спекаемого слоя, доля возврата в шихте и величина разряжения под аглолентой 12 1. Расчетные уравнения для определения выбросов газообразных веществ основаны топохимических закономерностях протекания процесса горения и образования соединений оксидов серы с известью . Для расчета образования оксидов азота при горении топлива в металлургических печах в модель введено, полученное нами , полуэмпирическое уравнение, учитывающее состав горючей смеси, температуру в зоне горения и присутствие в ней свободного водорода. Расчет процесса пылеобразо-вания при переливах жидкого металла рассчитывался с помощью уравнения диссипации. Величину остальных удельных выбросов вредных веществ либо рассчитывались по стехиометрическим соотношениям, либо задавали на основании литературных данных. Расчет выбросов вредных веществ в атмосферу осуществлялся с учетом количества образующихся вредных веществ и характеристик, применяемых газоочистных аппаратов. Эксплуатационные расходы на работу аппаратов и эффективность их работы оценивались по известным из литературы методикам. Расчет рассева вредных веществ проводился по стандартизированной методике ОНД-86.

Для расчета энергозатрат в модель введены уравнения теплового баланса всех стадий металлургического передела. Расчет себестоимости продукции осуществляли с использованием мировых и существующих на Украине оптовых цен на сырье и энергоносители. Математические описания каждого из видов передела связаны в модели качественными и количественными характеристиками полупродуктов, являющихся сырьем для последующей стадии металлургического процесса. Заключительными уравнениями математической модели жизненного цикла стали были уравнения для расчета общих удельных показателей, которые учитывают все стадии основного производства.. Модель запрограммирована системе Excel на персональном компьютере, что ее делает наглядной удобной для использования.

Численные исследования модели позволили найти определить оптимальный путь сближения эколого-экономических показателей производства стали на металлургических предприятиях Приазовья и сталелитейных фирм стран ЕС. Все расчеты проводились на основании технологических данных ОАО «МК им. Ильича».

Таблица 1 - Зависимость экономических и экологических показателей производства стали

от вида железорудного сырья

Показатель Вид концентрата

Керченский нкгок югок Лебединский

Содержание железа, % 48,6 61,5 64,5 66,3

Энергозатраты, ГДж/т 27,3 22,27 22,07 21,68

Водопотребление, м3/т 30,26 29,93 29,92 29,9

Выбросы пыли, кг/т 8,38 7,15 7,13 7,05

Выбросы СО. кг/т 26,33 26,16 26,15 26,14

Выбросы N0,; 1,77 1,5 1,46 1,42

Выбросы 802 3,26 0,798 0,775 0,759

Образование отходов, кг/т 866,3 550 546 522

В таблице 1 приведены расчетные значения показателей производства конвертерной стали для различных видов используемого железного концентрата при содержание лома в плавке равном 18 % ( западноевропейский стандарт). Приведенные в таблице данные показывают , что использование украинских небогатых железом концентратов ухудшает все показатели производства. ОАО «ММК «Азовсталь» долгое время работал Камыш-Бурунском агломерате, полученном из бедных керченских руд, содержание железа в которой не превышает 40,6 %. Комбинат Ильича использует криворожский концентрат с содержанием железа общего в 61%, в то время как металлургические предприятия стран ЕС работают сейчас на импортируемом из Африки и Норвегии суперконцентрате с содержанием железа не менее 68%. Это, безусловно, является одним из главных, но далеко не единственным, фактором высоких показателей производст-

ва западных сталелитейных фирм. Расчеты показывают, что даже в случае перехода мариупольских металлургических предприятий на высококачественную руду, например, Лебединского месторождения, при существующем оборудовании и технологии производства стали не удастся достичь удельных западноевропейских нормативов по экономическим и экологическим показателям.

Например, величина удельных энергозатрат на тонну жидкой стали в странах ЕС не превышает 20 ГДж. На наших предприятиях она не опускается ниже 21,7 ГДж. Причиной такого положения являются потери тепла на всем протяжении производственного цикла стали. Расчет теплового баланса в агломерационном процессе показал, что перерасход энергии на мариупольских металлургических комбинатах при производстве агломерата объясняется большими подсосами воздуха в агломашину через торцевые уплотнители и зазоры в аглоленте. Так за счет уменьшения подсоса воздуха на 20 % можно сократить расход энергии на 2 %.. В доменном и сталеплавильном производствах перерасход энергии имеет место при сжигании на свече части доменного и основной части конвертерного газа. На ОАО «Азовсталь» таким образом сжигается 10 % всего доменного газа, 80 % конвертерного газа, что адекватно потерям тепла 1ГДж тепла. При полной утилизации конвертерных и доменных газов они могли бы быть заменить природный газ, используемый для розжига аглошихты.

О влиянии способа производства стали на величину его показателей можно судить по расчетным данным, приведенным в таблице 2. (Данные таблицы 2 рассчитаны для концентрата НКГОК и доле лома в конвертере 18 % в мартене 38 %).

Таблица 2 - Зависимость общих показателей производства стали от доли мартеновского производства_

Показатель Доля мартеновской стали

0 0,2 0,4 0,8 0,9 1

Энергозатраты, ГДж/т 22,2 21,4 20,6 19,7 18,9 18,1

Водопотребление, м3/т 29,9 28,3 26,7 25,1 23,5 21,9

Выбросы пыли, кг/т 7,15 7,11 7,06 7,02 6,98 6,94

Выбросы СО. кг/т 26,1 25,6 25,2 24,7 23,8 23,8

Выбросы N0,; 1,51 2,28 3,06 3,83 4,61 5,39

Выбросы 802 0,79 0,87 0,947 1,02 1,095 1,16

Образование отходов, кг/т 550 503 457 411 365 319

Приведенные в таблице данные показывают, что при увеличении доли мартеновской стали уменьшаются удельные энергозатраты, водопотребление, выбросы пыли и СО а также и образование твердых отходов , но растут выбросы в окружающую среду оксидов серы и азота. Такая картина наблюдается до тех пор, пока доля лома в мартеновской плавке не станет ниже 25 %. Это происходит потому, что при большой доле лома в мартеновской плавке уменьшается объем высокоэнергоемкого и отходного аглодоменногонного производства. При малой доле лома определяющую роль в величине удельных показателей определяет сам мартеновский способ производства стали, отличающийся от конвертерного высокими энергозатратами и большими удельными выбросами / 1 /. В тоже время, при повышении доли лома в мартеновской плавке растут энергозатраты, что, в условиях высоких цен на лом и энергоносители, делает мартеновскую сталь дороже конвертерной. В планы металлургических предприятий Мариуполя входит закрытие мартеновских цехов при одновременном расширении конвертерного производства. Однако при сохранении прежних объемов производства и без предварительной реконструкции агломерационных и доменных цехов , направленной на снижение энергозатрат и выбросов в окружающую среду, показатели выплавки жидкой стали в этом случае ухудшатся за счет увеличения выпуска чугуна. Следовательно, закрытию мартеновских цехов должна предшествовать реконструкция аглофабрик и доменных печей. Как показали расчеты, достичь западноевропейских стандартов по выбросам вредных веществ в окружающую среду в этих цехах можно при проведении следующих мероприятий.

Все агломашины, работающие с зоной охлаждения агломерата необходимо перевести на систему рециркуляции дымовых газов, заменить вакуумные установки на более мощные, и повы-

сить высоту спекаемого слоя до 400 мм, пользоваться 35 % возврата и при послойной загрузке шихты, разной основности.. Эти меры не только позволят снизить выбросы, но и значительно поднять качество агломерата. Кроме этого для снижения вредных выбросов крайне необходимо выдерживать оптимальное для данных условий соотношение между фракционным составом шихтовых материалов. Уменьшение пылевыбросов при производстве чугуна и стали может быть обеспечено укрытием сливных каналов чугуна и шлака на литейных дворах доменных цехов, переходом на передвижные миксера , герметизацией помещения конвертерных цехов с установкой приточно-вытяжной вентиляции, оснащенной очисткой вентиляционных газов. Кроме конвертерного производства все остальные источники выбросов должны быть оснащены системой очистки газа в тканевых или электрофильтрах.

Европейских норм на выбросы оксидов азота при выплавке стали можно достичь в результате закрытия мартеновского производства и снижения удельных затрат энергии на всех этапах передела. При проведении перечисленных мероприятий качество атмосферного воздуха в городах большой металлургии будет соответствовать санитарным нормам. Значительную часть средств на предлагаемую реконструкцию можно будет получить за счет экономии энергоносителей.

Выводы

1. Создана математическая модель, позволяющая рассчитать величину эколого-экономических показателей производства стали исходя из используемого сырья, применяемых технологий и методов подавления выбросов, а также установить зависимость приземной концентрации вредных веществ от объема производимой продукции.

2. Разработанная математическая модель для исследования жизненного цикла стали может использоваться на любом металлургическом предприятии для определения путей выхода его на устойчивый путь развития.

Перечень ссылок

1. Буторина И.В. Система природоохранных стандартов серии ИСО 14000 в металлургической промышленности // Вюник Приазов. держ. техн. ун-ту: 36. наук, пр.- Мар1уполь.-2001. Вип.11,- С.304-308.

2. Буторина И.В. Образование оксидов азота в металлургическом производстве. //"Донбасс-2002: Охрана окружающей среды и экологическая безопасность": 36. наук. доп. - Донецк, 2001 , - С.115-118.

Буторина Ирина Викторовна Канд. техн. наук, доцент кафедры теплофизики и теплоэнергетики металлургического производства, окончила Ждановский металлургический институт (ныне ПГТУ) в 1971 году. Основное направление научных исследований - экология металлургического производства.

Харлашин Петр Степанович. Д-р техн. наук, академик Высшей школы, декан металлургического факультета, окончил Ждановский металлургический институт (ныне ПГТУ) в 1972 году. Основное направление научных исследований: производство высококачественной стали и вопросы экологии.

Статья поступила 18.03.2002г.