Prezentaciya_teploenergetika_konverternogo_proizvodstva

1.

Теплоэнергетика
конвертерного производства
Назначение, оборудование, схема процесса, теплоэнергетические
системы
и пример ПАО «НЛМК»
Лекция / 31 слайд
Материалы пользователя +
открытые источники

2.

Почему тема важна
71%
мировой стали
производится
по маршруту BF–
BOF
• Конвертерный цех — главный
сталеплавильный узел
интегрированного металлургического
комбината.
• В процессе продувки образуются
высокотемпературные отходящие газы и
газовая смесь с большим содержанием
CO.
• Для теплоэнергетики это ценный
вторичный энергетический ресурс: его
можно охлаждать, очищать,
накапливать и использовать как
топливо.
• На НЛМК проект утилизации
конвертерного газа связан с подачей
топлива на УТЭЦ-2 и ростом
энергетической самообеспеченности
площадки.
Теплоэнергетическая
ценность темы
• использование
химического потенциала
CO
• снижение расхода
природного газа
• повышение устойчивости
заводской энергосистемы
• сокращение факельного
сжигания и выбросов
2

3.

Место конвертерного производства в интегрированной схеме завода
Агло-/кокс
Доменная
печь
Миксер /
чугун
Конвертер
Внепечная
обработка
МНЛЗ / слябы
• Конвертер перерабатывает чугун в сталь без внешнего топлива:
тепло образуется за счет окисления примесей.
• Входящие потоки: чугун, лом, известь, кислород, аргон/азот.
• Выходящие потоки: жидкая сталь, шлак, конвертерный газ, пыль
газоочистки, вторичное тепло.
Жидкий чугун из доменного производства
НЛМК
3

4.

Что делает конвертерный цех
Входящие
потоки
• жидкий чугун
• металлический лом
• известь и флюсы
• технический кислород
• аргон и азот
• охлаждающая вода
Выходящие
потоки
• жидкая сталь
• конвертерный шлак
• конвертерный газ
• железосодержащая
пыль
• пар / охлажденный газ
Теплоэнергети
ческий смысл
• автотермичная
плавка
• физическое
тепло
отходящих
газов
• химическая
энергия CO
• необходимость
охлаждения,
очистки и
аккумулирован
ия
4

5.

Цикл кислородно-конвертерной плавки
• Продувка длится примерно 8–18 мин, а
полный цикл плавки обычно составляет
35–48 мин.
• Максимальный выход конвертерного газа
приходится на период активного
окисления углерода.
• Именно неравномерность по времени
требует наличия газгольдера и гибкой
логики переключения потоков.
1.
Завалка
лома
2.
Заливка
чугуна
3.
4.
5. Отбор
6. Выпуск
Продувк Наведен
проб /
стали
а O2
ие шлака замер T
7. Слив
шлака
Изменение состава газа, шлака и металла по ходу продувки
5

6.

Кислородный конвертер: назначение и конструкция
• Поворотный сосуд грушевидной формы с
металлическим кожухом и основной футеровкой.
• Установлен на цапфах; поворот необходим для
завалки материалов, выпуска стали и слива
шлака.
• Рабочее пространство включает горловину, зону
шлема и ванну расплава.
• Главное требование к геометрии — обеспечить
интенсивную продувку без выбросов металла.
Теплоэнергетический аспект: конвертер сам не
потребляет топливо для расплава — тепловой
эффект обеспечивается окислением C, Si, Mn, Fe.
6

7.

Фурма и режимы продувки
Что делает
фурма
• подает технически чистый кислород в
реакционную зону;
• формирует струи, которые проникают в
расплав;
• задает интенсивность перемешивания,
вспенивания шлака и decarburization.
• по высоте фурмы регулируют тепловой и
металлургический режим плавки.
Основные
•варианты
верхняя продувка — базовый вариант;
• донная продувка — лучшее перемешивание;
• комбинированная продувка — компромисс
по теплу, кинетике и качеству стали.
7

8.

Основные реакции и тепловой эффект
Ключевые
стадии
• в начале интенсивно окисляются Si,
Mn и Fe;
• формируется основной шлак;
• после разгона процесса
преобладает окисление углерода и
«кипение» ванны;
• удаление фосфора идет через
связывание в основном шлаке.
Базовые
уравнения
Следствие для теплоэнергетики: именно реакция 2C + O2 → 2CO создает поток конвертерного
газа с высоким химическим потенциалом.
8

9.

Газ и теплоэнергетика процесса
От физического тепла отходящих газов — к улавливанию
химической энергии CO
9

10.

Конвертерный газ как вторичный энергетический ресурс
Две формы
полезной
энергии
• физическое тепло
газа на выходе из
конвертера (до
1500–1600 °C);
• химическая энергия
CO, пригодная для
сжигания в
энергетических
котлах.
Почему газ нельзя
просто подавать в
сеть
• выход газа пульсирует
по циклам плавки;
• газ сильно запылен;
• состав изменяется по
ходу продувки;
• есть риск подсоса
воздуха и
взрывоопасных смесей.
Отсюда набор
обязательных систем
• охлаждение
• газоочистка
• переключение
свеча/газгольдер
• газгольдер
• газоповысительная станция
• КИПиА и азотные продувки
10

11.

Общая схема газового тракта
Логика
тракта
• конвертер → КОГ /
охлаждение;
• мокрая газоочистка →
дымосос;
• на старте и в конце
продувки — свеча;
• в рабочем окне по
составу газа —
газгольдер;
• далее через ГПС —
энергетическому
потребителю.
Схема построена по материалам ВКР по системе КЦ-2 НЛМК
11

12.

Охлаждение и мокрая газоочистка
1. Котел-охладитель
газов (КОГ)
• снижает температуру отходящих газов;
• частично использует их физическое
тепло;
• защищает последующую очистку от
перегрева;
• для крупных конвертеров целесообразен
тип.
2. радиационный
Скруббер и мокрая
очистка
• удаляют железосодержащую пыль;
• охлаждают газ до безопасной
температуры;
• после скруббера газ практически
насыщен влагой.
По ходу продувки состав газа резко меняется — это осложняет
утилизацию
12

13.

Станция переключения газа
• VG001 — обходная заслонка: аварийный
быстрый вывод на свечу;
• VG002 — газонаправляющая заслонка:
выбор «свеча / газгольдер»;
• VG003 — заслонка регулирования
давления;
• VG004 — обратный клапан с водяным
уплотнением;
• VG005 — очковая задвижка для
безопасной изоляции участка.
Алгоритм: если CO ≈ 30 % и O2 ≤ 0,7
%, поток переводится в газгольдер;
при отклонениях — обратно на
свечу.
13

14.

Газгольдер: зачем он нужен
Функции
газгольдера
• накопление газа во время продувки;
• сглаживание неравномерности выхода
по циклам;
• поддержание небольшого избыточного
давления в магистрали;
• обеспечение постоянной подачи на
энергетический объект.
По материалам КЦ-2 НЛМК: рабочее
давление под поршнем ≈ 2 кПа,
проектный объем газгольдера — 90 000
м3.
14

15.

Газгольдер: конструкция и защита
• Сухой поршневой газгольдер —
цилиндрический резервуар с подвижным
поршнем и сухим резиновым
уплотнением.
• Поршень перемещается вверх при
накоплении газа и вниз при его отборе.
• Контролируются уровень, давление,
температура и перекос поршня.
• Есть блокировки переполнения, низкого
уровня, отсечка экспортной линии и
рециркуляция газа для поддержания
тепла.
Критическая роль в безопасности:
газгольдер разрывает пульсации по
времени и предотвращает попадание
обратного потока к конвертеру.
15

16.

Газоповысительная станция (ГПС)
Назначени
е
повысить давление газа после
газгольдера;
• обеспечить подачу к УТЭЦ-2 при
нужном расходе;
• стабилизировать экспорт в
энергетическую сеть.
Для КЦ-2
НЛМК
3 параллельные линии с
нагнетателями;
• расчетный экспорт: 306 000 м3/ч;
• минимальное давление у
потребителя: 0,006 МПа;
• предусмотрен рециркуляционный
трубопровод.
16

17.

КИПиА и противоаварийная логика
Газоанализаторы
CO / O2 / H2
Датчики
давления
и температуры
Датчики уровня
газгольдера
Азотные
продувки
и блокировки
АСУТП
• При сообщениях об ошибке или опасных сочетаниях состава автоматика возвращает тракт в
безопасное положение — на свечу дожигания.
• При падении давления в магистральном газопроводе возможна автоматическая подача N2
для исключения подсоса воздуха.
• Без развитой системы КИПиА утилизация конвертерного газа промышленно невозможна.
17

18.

Связь конвертерного цеха с другими подразделениями
Доменные печи
жидкий чугун
Известь и флюсы
Внепечная
обработка
и МНЛЗ
КОНВЕРТЕРН
ЫЙ
ЦЕХ
Кислородный цех
O2, Ar, N2
Водооборот и
шлаковое
хозяйство
УТЭЦ-2 / газовое
хозяйство
18

19.

ПАО «НЛМК»
Кейс крупного интегрированного комбината с проектом
утилизации конвертерного газа
19

20.

Липецкая площадка НЛМК: производственная цепочка
• На Липецкой площадке вся сталь производится в
кислородных конвертерах.
• Жидкий чугун поступает из доменного
производства, затем сталь проходит внепечную
обработку и непрерывную разливку.
• Побочные газы доменного, коксового и
конвертерного производства входят в заводской
энергетический баланс.
Маршрут BF–BOF
на
НЛМК печь → чугун → КЦ-1 / КЦ-2 →
Доменная
ковшовая обработка → МНЛЗ → прокатные
производства
20

21.

Конвертерный цех № 2 НЛМК
Почему КЦ-2
важен
• выпускает более 60 %
стали липецкой
площадки;
• является ключевым
получателем жидкого
чугуна от доменного
производства;
• связан с проектом
утилизации
конвертерного газа для
УТЭЦ-2.
Открытые данные НЛМК
о модернизации КЦ-2
• конвертер №1 емкостью 330 т введен с
современным газоотводящим трактом;
• в 2020–2021 гг. два конвертера по 300 т
заменены на 330-тонные агрегаты;
• модернизация дала рост производительности и
заметное снижение выбросов.
Энергетический вывод: именно у такого крупного и
ритмичного цеха эффект от утилизации
конвертерного газа максимален.
21

22.

Состав оборудования КЦ-2 в контуре утилизации газа
1№
Оборудование
Конвертеры
Назначение
образование стали и конвертерного газа
2
КОГ / газоохладитель
снижение температуры отходящих газов
3
Мокрая газоочистка
очистка от пыли и охлаждение
4
Дымососы
создание разрежения и транспорт газа
5
Станции переключения
выбор свеча / газгольдер
6
Газгольдер
накопление и выравнивание подачи
7
ГПС
повышение давления перед УТЭЦ-2
8
Газоанализ и азотные
продувки
безопасность и автоматизация
22

23.

КЦ-2 НЛМК: краткая временная шкала развития
1974
2011
2020–
2021
2025+
конвертеры №2 и
№3
по 300 т
конвертер №1
330 т +
современный
газоотводящий
тракт
замена двух 300тонных
конвертеров на
330-тонные
ввод системы
сбора и
использования
конвертерного
газа
Логика модернизации: рост производительности + снижение выбросов + включение
конвертерного газа в энергобаланс предприятия.
23

24.

Проект утилизации конвертерного газа и связь с УТЭЦ-2
• НЛМК реализует комплекс RCGP-2 /
УТЭЦ-2, где доменный и конвертерный
газы становятся топливом для
энергетического оборудования.
• Для этого реконструируются
газоотводящие тракты конвертеров,
строятся газгольдеры, станции
переключения и газоповысительная
станция.
• Ожидаемый эффект — рост
энергетической самообеспеченности
площадки до 95 % и снижение
Это превращает конвертерный газ
выбросов
парниковых газов.
из побочного продукта плавки в
реальное энергетическое топливо.
24

25.

Расчетные параметры КЦ-2 по материалам пользователя
Параметр
Число
конвертеров
Значение
3
Расход газа на выходе из
дымососа
401 000
м3/ч
CO
30,1 %
CO2
16,2 %
N2
24,3 %
H2O
29,4 %
Давление в газгольдере
2 кПа
Давление у границы УТЭЦ-2
6 кПа
Объем проектного
газгольдера
90 000 м3
Число нагнетателей ГПС
3
Что означают эти
цифры
• газ после дымососа — уже
охлажденный и очищенный, но
разбавленный воздухом и влагой;
• для подачи к энергетическому
потребителю требуется отдельная
ступень повышения давления;
• неравномерность по времени
компенсируется газгольдером.
25

26.

Базовые расчетные формулы
1. Низшая теплота
сгорания смеси
2. Масса углерода,
перешедшего в газ
3. Количество вещества и
объем газа
Практический
смысл
• по составу газа оценивают его
топливную ценность;
• по углеродному балансу и
времени продувки — выход газа и
пиковые расходы;
• по давлению и температуре —
параметры газопровода и
нагнетателей.
Именно эти формулы связывают
металлургический процесс с
задачами промышленной
теплоэнергетики.
26

27.

Расчетные диапазоны выхода газа
Из материалов
ВКР
• суммарный объем
первичного газа от 3
конвертеров за цикл:
49 646–87 569 нм3;
• удельный выход: 51–91
нм3/т стали;
• расчетный расход в
период продувки
значительно выше
среднего суточного.
Что это
означает
• без аккумулирования
газ нельзя стабильно
подавать в котлы;
• газгольдер и ГПС
подбирают не по
среднему, а по
неравномерному
режиму;
• подсос воздуха резко
снижает теплотворную
способность.
Ключевой
вывод
• пульсирующий по
времени выход газа
— главный аргумент
в пользу
газгольдера;
• чем лучше
герметичность
тракта, тем выше
энергетическая
ценность газа.
27

28.

Энергетический и экологический эффект
Энергетик
а
• замещение части
природного газа;
• рост доли собственных
энергоресурсов;
• использование не
только доменного, но и
конвертерного газа в
котлах и турбинном
цикле.
Экология
• снижение факельного
сжигания;
• сокращение выбросов
за счет полезного
использования газа;
• меньший расход
природного топлива на
той же выработке
энергии.
Для
НЛМК
• в проектных
материалах НЛМК
указаны рост
энергетической
самообеспеченности
до 95 % и
существенное
снижение выбросов
парниковых газов.
28

29.

Главные инженерные проблемы
1. Пыль и влага
нужны КОГ, скруббер и надежный водный
режим
3. Подсос воздуха
снижается доля CO и растет опасность
взрывоопасных смесей
2.
Неравномерность
без
газгольдера и автоматики стабильный
выхода
экспорт невозможен
4. Давление в сети
необходимы дымососы, ГПС и грамотный
газодинамический расчет
5. Безопасность
газоанализ, азотные продувки, блокировки,
свеча дожигания
29

30.

Выводы
• Конвертерное производство — это одновременно металлургический и крупный
теплоэнергетический объект.
• Главный вторичный энергоресурс процесса — конвертерный газ, содержащий
значительную долю CO и обладающий как физической, так и химической
теплотой.
• Для промышленного использования этого газа необходим весь комплекс
оборудования: КОГ, газоочистка, дымосос, станция переключения, газгольдер,
ГПС, КИПиА и азотные продувки.
• На ПАО «НЛМК» КЦ-2 и проект УТЭЦ-2/RCGP-2 показывают переход от
факельного сжигания к полезному использованию конвертерного газа в
заводской энергетике.
Именно поэтому тема «теплоэнергетика конвертерного производства» стоит на стыке
теплотехники, газового хозяйства, энергетики и металлургии.
30

31.

Основные источники
Материалы
пользователя
• ВКР «Исследование системы сбора, хранения
и передачи конвертерного газа от
конвертерного цеха №2 ПАО НЛМК» (2025).
• СНИР «Система сбора и хранение
конверторного газа» (2023).
Открытые источники
• NLMK Lipetsk / steelmaking pages and media
center.
• NLMK Engineering / converter shop and energy
project pages.
• World Steel Association.
• Britannica: Basic oxygen process.
Фактическая опора
презентации
• структура и оборудование конвертерного
цеха;
• логика охлаждения, очистки и утилизации
газа;
• параметры КЦ-2 НЛМК по ВКР;
• актуальный контекст модернизации и
использования газа на НЛМК.
Презентация подготовлена в учебных
целях. Формулы приведены в упрощенном
виде для пояснения теплоэнергетической
логики процесса.
31