Введение к работе
Актуальность проблемы. Социально-экономическое развитие мирового сообщества в настоящее время определяется концепцией устойчивого развития. Для промышленных предприятий это означает экономически эффективное развитие, обеспечивающее повышение прибыльности производства при уменьшении потребления природных сырьевых и энергетических ресурсов и сокращении вредного воздействия на окружающую среду.
Металлургические комбинаты полного цикла производительностью 2 - 10 млн. т проката в год потребляют 2.5 - 10 млн. т условного топлива и выбрасывают в атмосферу 100 - 500 тыс. т вредных веществ, а также 5-25 млн. т парниковых газов в пересчете на С02. Для крупных металлургических комбинатов актуальной проблемой является совершенствование и оптимизация их энерготехнологической системы по экологическому, энергетическому и экономическому критериям. Для решения этих задач необходимо применение системного анализа энерготехнологического комплекса металлургического комбината, являющегося по сути сложной иерархической системой.
Угольная шихта составляет 70% всех топливно-энергетических ресурсов, поступающих на металлургический комбинат, а коксохимическое производство представляет собой энерготехнологическую систему по ее переработке путем высоко температурной карбонизации в металлургический кокс для получения чугуна в доменном процессе. В настоящее время сырьевая угольная база металлургических комбинатов характеризуется существенной нестабильностью марочного состава поставляемых углей и показателей их качества. В связи с этим разработка научно-технических основ моделирования энерготехнологической системы металлургического комбината, которая включает в себя: систематический контроль состава и свойств поступающих углей, создание универсальной модели расчета шихты, подбор на их основе оптимальных шихт для коксования и разработка структуры новой сырьевой базы коксохимического производства; совершенствование энерготехнологического процесса коксования выбранной угольной шихты; получение кокса стабильно высокого качества; снижение расхода газового топлива на обогрев коксовых батарей и уменьшение вредных выбросов в окружающую среду; разработка и развитие современных методов экономической оценки воздействия вредных выбросов промышленных предприятий на окружающую среду и здоровье населения в соответствии со стратегией устойчивого развития России - является весьма актуальной задачей.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с распоряжением Правительства РФ от 10.07.2001 № 910-р «О программе социально-экономического развития РФ на среднесрочную перспективу», «Стратегией развития коксохимической промышленности Российской Федерации до 2005 г.», утвержденной Министерством экономики РФ в 2000 г., а также «Государственной стратегией устойчивого развития Российской Федерации» (раздел 7.2. Формирование системы экономических воздействий на экологизацию производства).
Цель работы заключается в разработке научно-технических основ: поиска системных решений, позволяющих реализовать сокращение энерго-потребления на металлурі ическом комбинате и вреЛИ**Сдв6ийв^Й1ЙШ(')рн>
>е1оМКЭТбммОД|й|ЩЖа
щую среду; снижение себестоимости металлургической продукции;
формирования угольной сырьевой базы и технологии коксования для получения высококачественного металлургического кокса, обеспечивающего снижение расхода топлива на производство чугуна;
экономической оценки воздействия вредных выбросов металлургического комбината на здоровье населения на локальном и региональном уровне.
В соответствии с этим были сформулированы и решены следующие задачи:
разработка методов и их компьютерная реализация для решения задач оптимизации энерготехнологической системы металлургического комбината по энергетическому, экологическому и экономическому критериям;
разработка единой математической модели процесса коксования, включающей: аэродинамическую модель течения газов; модель химической кинетики процессов горения; модель определения высоты факела горения; модель двумерного нестационарного теплообмена от газа через стенку к угольной шихте; модель термического разложения угля; модель расчета распределения температур и горячей прочности кокса CSR по всему объему коксового пирога; модель расчета материального и теплового баланса коксования;
создание методологии оценки угольного сырья на основе автоматизированного петрографического анализа, расчет показателей прочности кокса, выбор оптимального состава шихты путем компьютерного моделирования, определение структуры сырьевой базы коксохимического производства;
разработка метода равных потребительских ценностей (равноэкономичных цен) покупных углей на основе оптимизационных расчетов по программно-информационной системе «ОптиМет»;
разработка методических и инструментальных средств для последовательного определения воздействия вредных выбросов металлургического комбината на здоровье населения по этапам: «вредные выбросы - рассеивание - физическое воздействие - оценка ущерба».
Научная новизна и полученные результаты. На основе крупномасштабного промышленного эксперимента с поэтапной заменой углей Печорского бассейна Кузнецкими установлено, что:
увеличение горячей прочности кокса CSR (coke strength after reaction) на 10% при минимальном его среднеквадратическом отклонении позволяет сократить удельный расход суммарного топлива в доменных печах на 10 - 15 кг (в пересчете на условное) на тонну чугуна;
прочность кокса CSR зависит от отражательной способности витринита Ra, суммы спекающих компонентов СКжв, зольности угля Ad, количества основных окислов в золе, и от соотношения изотропных (аморфных) и анизотропных (графитоподобных) структур в угольной шихте и далее в текстуре кокса.
Установлена температурная зависимость горячей прочности кокса CSR, которая возрастает на 4.5 - 5% с увеличением температуры кокса на 100 С при одинаковом качестве угольной шихты; разброс значений CSR в коксовом пироге может превышать 20%. что обуславливается прежде всего неравномерностью прогрева кокса по всему объему камеры.
1 ... ** Я
Доказано, что длина факела горения отопительного газа в обогревательном простенке коксовой печи одновременно зависит, как от кинетических характеристик многостадийного процесса горения газа, так и от постепенной диффузии в факеле горючих компонентов и кислорода в соответствии с заданной длиной пути перемешивания газов.
Установлено, что длина пути перемешивания горючих газов и воздуха в отопительном простенке коксовой печи определяется теплотворной способностью газа, температурой газового топлива и воздуха, коэффициентом избытка воздуха и степенью рециркуляции; а также конструктивными характеристиками отопительного вертикала: его шириной, расстоянием между горелкой и воздушным каналом, диаметром горелки и шириной воздушного канала; и мало зависит от критериев Рейнольдса и Фруда.
Разработан метод определения равных потребительских ценностей покупных (равноэкономичных цен) углей на основе оптимизационных расчетов по программно-информационной системе «ОптиМет».
Доказано, что региональный ущерб (в радиусе от 100 до 2000 км) здоровью населения от вредных выбросов металлургического комбината, расположенного в Европейской части России, превышает локальный ущерб (в радиусе до 100 км), в то время как региональное воздействие в существующих методиках оценки ущерба не учитывается.
Практическая значимость и реализация полученных результатов. На основе компьютерного моделирования в сочетании с применением петрографических методов анализа углей в промышленном масштабе реализовано формирование сырьевой базы коксохимического производства. Внедрение разработанного пакета программ прогнозирования показателей качества получаемого кокса обеспечило эффективность доменного процесса при уменьшении расхода суммарного топлива и снижении себестоимости чугуна.
Результаты теплотехнических и термогравиметрических исследований и производственных испытаний положены в основу комплексной методики моделирования технологического режима процесса коксования угольной шихты заданного состава. Компьютерная программа «ОптиМет-КХП», разработанная по данной методике, используется в коксохимическом производстве ОАО «Северсталь» для анализа влияющих факторов на совершенствование технологии коксования и получения высококачественного кокса с равномерным распределением его горячей прочности по ширине и высоте коксовой камеры.
Версия программно-информационной системы «ОптиМет-Сырье» используется Коммерческой дирекцией ОАО «Северсталь» при проведении тендеров по закупке угольной сырьевой базы.
На основе сделанных рекомендаций проведен крупномасштабный промышленный эксперимент на ОАО «Северсталь» по замене угольной шихты Пе-черского бассейна на кузнецкие угли, по результатам которого за 5 месяцев 2002 года получен экономический эффект более 170 млн. рублей. Внедрение результатов диссертационной работы на коксохимическом производстве ОАО "Северсталь" привело к подтвержденному экономическому эффекту 2 млн. руб.
Разработанная математическая модель энерготехнологической системы ме-
таллургического комбината позволяет проводить оптимизацию по экономическому, экологическому и энергетическому критериям. Показано, что для металлургического комбината производительностью 7.5 млн. т проката в год реализация энергосберегающих технологий и мероприятий по снижению вредных выбросов на основе комплексных системных решений позволит сократить энергопотребление на 300 - 500 тыс. т у.т./год, сохранить 67 жизней за счет снижения вредных выбросов и получить большой экономический эффект.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертации были доложены на: заседании научного совета ГКНТ СССР «Новые процессы в черной металлургии» (г. Москва. 1990 г.); международной конференции «International Conference on Power & Energy in China» (г. Пекин, Китай, 1990 г.); республиканской конференции «Актуальные вопросы защиты окружающей среды от антропогенного воздействия» (г. Севастополь, 1990 г.); международном семинаре «Планирование экономического развития регионов с учетом их экологической безопасности» (Крым, Украина, 1993); 2-ой международной конференции «Новые методы и средства экономии энергоресурсов и экологические проблемы энергетики» (г. Москва, 1995 г.); 3-ей международной конференции по устойчивому развитию "Проблемы индустриальных регионов: менеджмент и экология" (г. Запорожье, Украина, 1998 г.); международной конференции «International Workshop on Romelt Process "Romelt-2000"» (г. Дели, Индия, 2000 г.); Пой Международной научно-технической конференции «Энергосбережение на промышленных предприятиях» (г. Магнитогорск, 2000 г.); 25-м международном семинаре «Программно-технические комплексы и средствам автоматизации» (Москва, Институт проблем управления РАН, 2002 г.); 2-ой Международной научно-практической конференции «Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии» (г. Москва, Московский институт стали и сплавов, 2002 г.); международной конференции «Металлургическая теплотехника» (Днепропетровск, Национальная металлургическая академия Украины, 2002 г.); Международной научно-технической конференции «Теория и практика производства чугуна» (г. Кривой Рог, Украина, 2004 г.); научных конференциях России и стран СНГ «Перспективы развития углехимии и химии углеродных материалов в XXI веке» (Звенигород, 2003г., 2005г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 59 работ.
Автор считает приятным долгом отметить творческое участие А.В. Боро-дулина, Ю.В. Коноваловой, В.И. Ситаса, П.А. Шомова, С.Н. Ярунина, А.П. Яшина в выполнении отдельных фрагментов исследования, а в их лице выражает благодарность соавторам и товарищам по работе за огромную помощь и поддержку при выполнении данного исследования. Автор выражает свою признательность проф. A.M. Гюльмалиеву за консультации и помощь в осознании роли фундаментальных наук при постановке и решении прикладных научно-технических проблем.
Объем и структура работы. Диссертация, изложенная на 395 стр. машинописного текста, состоит из введения, 7 глав, выводов, списка литературы (480 наименований) и 12 приложений. В тексте представлены 51 таблица и 132 рисунка.
