ИТС 20-2016 Промышленные системы охлаждения

     1.1 Предприятия черной и цветной металлургии

Черная металлургия - отрасль тяжелой промышленности, которая включает производство чугуна, стали, проката, ферросплавов, а также добычу и обогащение железной руды и производство огнеупоров. В структуру черной металлургии Российской Федерации входит более 1,5 тыс. предприятий. В России выделяют три основных базы черной металлургии: уральская, центральная и сибирская. Основу российской черной металлургии составляют 6 крупных вертикально и горизонтально интегрированных холдингов, на долю которых приходится более 93% всей выпускаемой продукции: Северсталь, EVRAZ, Новолипецкий металлургический комбинат, Магнитогорский металлургический комбинат, Металлоинвест, Мечел.

Рисунок 1.1 - Основные базы черной металлургии Российской Федерации ([55])

Уральская база - старейшая в России и самая крупная. Сейчас здесь производят около половины всей продукции черной металлургии страны. Уральская металлургическая база связана с кузбасским углем и уральскими месторождениями железной руды. Центрами металлургии Урала являются Магнитогорск, Челябинск, Нижний Тагил, Екатеринбург. Крупнейшие предприятия - Магнитогорский металлургический комбинат, Челябинский металлургический комбинат, Чусовской металлургический завод и другие.

Поскольку месторождения железной руды на Урале практически исчерпаны, на смену Уральской металлургической базе строится Сибирская. На данный момент эта база находится на стадии формирования и представлена двумя крупными металлургическими предприятиями - Кузнецкий металлургический комбинат и Западно-Сибирский металлургический комбинат в Новокузнецке.

Центральная металлургическая база использует собственные месторождения железной руды, которые находятся в Курской и Белгородской областях. Добыча руды здесь очень дешева и добывается открытым способом. Здесь нет угля, но в силу удобного географического расположения, предприятия снабжаются углем из трех бассейнов - Донецкого, Печорского и Кузнецкого. Крупнейшие предприятия - Череповецкий металлургический комбинат, Новолипецкий металлургический комбинат, металлургические заводы в Туле и Старом Осколе.

По объему запасов железной руды Россия занимает третье место в мире, уступая по этому показателю Австралии и Бразилии. Разведанные запасы железной руды в России составляют около 25 млрд. тонн, что в пересчете на чистое железо составляет 14 млрд. тонн.

Наибольшие объемы избыточного тепла на предприятиях черной металлургии образуются при охлаждении агрегатов доменных цехов, в установках по очистке доменного газа, прокатных цехах, воздуходувных и электрических станциях (теплоэлектроцентралях). Раньше много потребляли воды и сталеплавильные цехи, но с переводом печей на испарительное охлаждение, при котором охлаждение нагретых элементов печи производится пароводяной эмульсией, потребность этих цехов в воде резко сократилась.

В настоящее время для охлаждения теплонагруженных элементов металлургических печей применяют в основном следующие три типа систем охлаждения:

- охлаждение проточной технической водой;

- испарительное охлаждение (с естественной и принудительной циркуляцией);

- охлаждение химически очищенной водой в замкнутом контуре с использованием теплообменников.

При проточном водяном охлаждении отвод теплоты от водоохлаждаемых элементов производится холодной проточной водой. При этом расход воды должен обеспечить, по возможности, безнакипный режим. Данное условие трудно выполнимо, так как техническая вода содержит накипеобразователи, которые при нагреве воды осаждают на стенках деталей, препятствуя отводу от них тепла.

Каждая из названных систем имеет свои преимущества и недостатки, что касается обеспечения качества охлаждения, а также их экономичности и эффективности.

Все большее распространение получает система испарительного охлаждения металлургических печей (доменных, мартеновских, электроплавильных, нагревательных и вагранок). При испарительном охлаждении тепло от нагретых элементов печи отводится водой, нагревающейся до образования пароводяной эмульсии. При этом используется скрытая теплота парообразования, т.е. тепло, отбираемое охлаждающей водой, затрачивается на ее испарение. В холодильники печи подается вода, освобожденная от солей жесткости и лишенная коррозионных свойств. Получаемый пар используется на технологические нужды завода.

Данная система охлаждения представляет собой комбинацию двух функционально независимых систем: традиционное испарительное охлаждение с естественной циркуляцией для холодильников шахты (первый контур) и принудительная циркуляция холодной химически очищенной для охлаждения холодильников нижней зоны и труб подлещадного охлаждения (второй контур), которые объединены общей системой утилизации тепла нагретой воды для подогрева воздуха, идущего для горения газа в доменных воздухонагревателях.

Система теплоиспользования состоит из водовоздушного теплообменника (калорифера), пароводяных теплообменников (бойлеров) и водоводяных теплообменников. Калориферы используются в качестве теплообменников, в которых за счет тепла нагретой воды охлаждаемых элементов нижней зоны и тепла конденсации пара системы испарительного охлаждения холодильников шахты нагревается воздух, идущий для горения газа в воздухонагревателях.

Системы испарительного охлаждения также используются для охлаждения элементов печей цветной металлургии. В печах кипящего слоя охлаждают стояки отходящих газов (для предварительного охлаждения газов), кессоны для отвода теплоты от слоя; в отражательных - рамы завалочных окон, пятовые балки, шибера. Кессоны, шахты, свода и пода фьюминговой печи; в конвертерах - напыльники; в печи руднотермической плавки - закладные элементы кладки стен печи, приэлектродные зоны свода печи, загрузочные течки и т.д.

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на рисунке 1.2. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная или принудительная циркуляция.

1 - опускная труба; 2 - охлаждаемая деталь; 3 - подъемная труба; 4 - водозаборное устройство; 5 - станция перекачки воды; 6 - химическая водоподготовка; 7 - питательный насос; 8 - подвод питательной воды; 9 - барабан-сепаратор; 10 - отвод насыщенного пара

Рисунок 1.2 - Принципиальная схема системы испарительного охлаждения ([54]):

Параметры пара в системах испарительного охлаждения выбираются на основании анализа топливно-энергетических балансов и технико-экономических расчетов с учетом предельных параметров для данного типа установок. Так, предельные параметры пара для систем охлаждения доменных печей составляют 0,8 МПа; мартеновских и двухванных сталеплавильных агрегатов - 2,5 МПа; методических нагревательных - 4,7 МПа.

Удельная выработка пара определяется для каждого агрегата отдельно. Так, например, в доменном производстве она составляет 0,2 кг/кг; мартеновском - 0,25 кг/кг; прокатном - 0,3 кг пара на 1 кг продукции.

Из-за относительно низких параметров пар испарительного охлаждения не всегда находит потребителей. В настоящее время используется менее 85% пара систем испарительного охлаждения. Потребители насыщенного пара самые разнообразные. На металлургическом предприятии имеется несколько паропроводов (каждый для пара определенных параметров), к которым подключены как парогенерирующие установки (паровые котлы, котлы-утилизаторы, системы испарительного охлаждения и др.), так и потребители пара соответствующих параметров либо непосредственно, либо через преобразующие устройства. Из паропроводов насыщенного пара пар, в зависимости от давления, используется в технологических цехах для различных нужд. В доменном производстве паром (давление пара 0,4-0,5 МПа) увлажняют дутье, уплотняют засыпные аппараты доменных печей, обогревают рудные бункера и трубопроводы, а также применяют для технологических нужд в коксохимическом производстве.