УДК 669.162
ОЦЕНКА УГЛЕРОДНОГО СЛЕДА ПРИ ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ В ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЕЧИ
© Чесноков Юрий Николаевич, канд. техн. наук; Лисиенко Владимир Георгиевич, д-р техн. наук; Лаптева Анна Викторовна
ФГАОУ «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н. Ельцина». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: ^^^maiLm
Статья поступила 18.02.2013 г.
Для данных по конкретному предприятию Урала рассчитана сквозная эмиссия диоксида углерода при выплавке стали в электродуговой печи с учетом раскисления стали. Расчет проведен с применением графовых моделей эмиссий диоксида углерода.
Ключевые слова: сталь; эмиссия диоксида углерода; электродуговая печь; раскислители; граф эмиссий диоксида углерода.
Принятый в статье термин «углеродный след электродуговой печи (ЭДП)» означает весь объем парниковых газов, образовавшийся при реализации всей технологической цепочки выплавки стали. В металлургии углеродный след образуется в основном двумя газами: диоксидом углерода и метаном. Метан выделяется при добыче руд и ископаемого топлива. Будем считать, что весь метан сгорает в технологических процессах (например, в доменном газе содержится всего 0,5% метана). По этой причине основой углеродного следа будем считать эмиссию диоксида углерода.
Таблица 1. Исходные данные по загрузке ЭДП
Статьи расхода Удельный расход, ед./т стали Содержание углерода, кг Эмиссия CO2 при сгорании СР*, кг
Природный газ (СР = 73,4%, р = 0,729 кг/м3), м3/т (кг/т) 18,9 (13,778) 10,113 37,085
Электроэнергия, кВт-ч 582,9 - 0
Кислород, м3/т 48,9 - 0
Компрессорный воздух, м3/т 57,7 - 0
Аргон, м3/т 0,644 - 0
Азот, м3/т 2,117 - 0
Чугун (СР = 4%), т/т 0,0025 0,1 **
Лом (СР = 0,3%), т/т 1,106 3,318 iSiS
Электроды (СР = 100%), т/т 0,0025 2,5 9,168
Известь СаО, т/т 0,0537 - 0
Ферросилиций Бе81 = 41-47%; С = 0,1%), т/т 0,0022 0,022 0,081
Ферромарганец БеМп (6% С), т/т 0,0074 0,444 1,628
Силикомарганец Бе81Мп (1% С), т/т 0,0049 0,049 0,180
Коксик (СР = 85%), т/т 0,005 4,25 15,585
Алюминий А1, т/т 0,0022 - -
* СР - содержание углерода в соответствующем ресурсе. ** Расчеты по моделям [1].
В работе [1] эмиссию С02 было предложено разделить на три типа: эмиссию процесса, транзитную эмиссию, интегральную сквозную эмиссию, которая, собственно, и является аналогом углеродного следа. Для определения сквозной эмиссии предложена модель в виде взвешенного или сигнального графа [1]. Графовая модель и модели, с помощью которых вычисляются значения эмиссий в вершинах графа [1], предназначены для сравнительного анализа различных технологических способов получения стали.
В последующих расчетах были использованы в качестве примера исходные данные, предоставленные предприятием Свердловской обл. (табл. 1). Как видим, данная ЭДП работает на ломе при использовании, кроме электроэнергии, природного газа и кислорода с последующей продувкой металла в ковше-печи аргоном. Выплавляемая сталь содержит 0,3% углерода.
В процессе плавки используются ферросплавы и алюминий (раскислитель). Эти компоненты вводятся или в ЭДП в конце плавки [2], или в ковш с целью уменьшения их угара. Оксид углерода, выделяющийся при этом, дожигается до диоксида углерода.
Таблица 2. Составы шихты для выплавки ферросплавов
Статьи расхода Ферросилиций ФС45 (СР = 0,1%) Ферромарганец ФМн70 (СР = 6%) Силикомарганец МнС17 (СР = 2,5%)
Кварцит, кг/т 970 - 400
Железная стружка (СР = 0,3%), кг/т 560 150 -
Коксик (СР = 85,1%), кг/т 460 500 500
Электроэнергия, кВт-ч/т 4600 3800 4100
Марганцевый концентрат, кг/т - 2400 2200
В настоящее время ферросплавы выплавляются в электродуговых ферросплавных печах. При их производстве образуется оксид углерода, но его дожигают до диоксида углерода. В этой связи эмиссию диоксида углерода процессов по выплавке ферросплавов рассчитываем по массе полностью сгоревшего углерода. Данные для расчета эмиссии диоксида углерода при выплавке ферросплавов приведены в табл. 2 [2].
Эмиссия С02 собственно процесса выплавки РеБ1составит
Мп фс45 = 3,667-(560-0,003 + 460-0,851 -
- 1000-0,001) = 1437,97 кг С02/т ФС45.
Эмиссия диоксида углерода процесса выплавки РеМп составит
МП ФМН70 = 3,667-(150-0,003 + 500-0,851 -
- 1000-0,06) = 1341,94 кг С02 /т ФМн70.
Эмиссия диоксида углерода процесса выплавки Б1Мп составит
Мп МнС17 = 3,667-(500-0,851 - 1000-0,025) =
= 1468,63 кг СО2 /т МнС17.
На рисунке представлен граф эмиссии диоксида углерода ЭДП при выплавке ферросплавов при данных, приведенных в табл. 2. В его вершинах после дробной черты проставлены значения сквозных эмиссий С02 в кг на единицу ресурса, перед дробной чертой - эмиссии процессов. В ряде вершин значения эмиссии процессов отсутствуют, например, в вершинах, соответствующих коксику, концентрату марганцевой руды и т.п. Назовем такие вершины источниками или входными, так как в графе они имеют лишь выходящие дуги. В таких вершинах указаны значения сквозных интегральных эмиссий. Они были взяты или из предыдущих расчетов, или из других источников [3-5]. Эти значения задают эмиссию С02 в процессах добычи, транспортировки, обогащения и т.п. У дуг проставлены метки (граф является размеченным), которые равны расходам соответствующих ресурсов. Дуги имеют направление в соответствии с технологическими процессами. Следовательно, граф эмиссии СО2 является ориентированным.
ЭДП укомплектованы различными механизмами с электроприводами. Однако в предлагаемой методике напрямую не учитывается электроэнергия, потребляемая такими механизмами. Она косвенно учтена в эмиссиях коксохимического и доменного процессов, так как избыток коксового и доменного газов, содержащих значительное количество СО2, на современных предприятиях сгорает в котлах местных электростанций, которые на 90% покрывают собственные нужды металлургических предприятий [6]. По этой причине соответствующие эмиссии названы интегральными. Модели эмиссий С02, рассматриваемые в статье, предполагают использование перечисленных газов только в котлах местных электростанций, т.е. исключается использование этих газов в нагревательных и термических печах прокатных цехов.
Транзитная эмиссия какой-либо вершины определяется суммой произведений сквозных эмиссий инцидентных ей вершин на метки соответствующих дуг, которые указывают на расходы соответствующих ресурсов. Например, для вершины, соответствующей ферросилицию, транзитная эмиссия определяется как МТ Бе51 = 4600-0,643+ + 430-0,46 + 20-0,56 + 100-0,97 = 3263 кг С02 /т РеБЬ Сквозная эмиссия для этой вершины равна сумме эмиссий процесса и транзитной, т.е. МС ^ = 1439+ + 3263 = 4702 кг С02 /т РеБЬ
Для вершины, соответствующей ферромарганцу, транзитная эмиссия определяется как Мт Ремп = 3800-0,643 + 430-0,5 + 20-0,15 + 82-2,4 = =2858,2 кг С02/т реМп. Сквозная эмиссия для этой вершины равна сумме эмиссий процесса и транзитной, т.е. МС РеМп = 1342 + 2858 = 4200 кг С02/т РеМп.
Для вершины, соответствующей силикомар-ганцу, транзитная эмиссия определяется как
Мт РеЯ1Мп = 6000-0,643 + 82-2,2 + 100-0,4 = 4078,4 кг С02/т РеБ1Мп. Сквозная эмиссия для этой вершины равна сумме эмиссий процесса и транзитной, т.е. Мс реБ1Мп = 1469 + 4078 = 5547 кг С02/т РеБ1Мп.
Для вершины, соответствующей алюминию, транзитная эмиссия определяется как МТ А = = 15 000-0,643 = 9645 кг С02 /т А1. Сквозная эмиссия для этой вершины равна сумме эмиссий про-
Электроэнергия внешняя(0,643 кг/кВт-ч)
Граф эмиссий диоксида углерода ЭДП
цесса и транзитной, т.е. МС А1 = 1650 + 9645 = = 11 295 кг С02 /т А1.
По формулам, приведенным в работе [1], эмиссия СО2 процесса электродуговой плавки от выгорания углерода металлической части шихты (чугун, лом) ЭДП при коэффициенте выгорания железа, равном КВ = 0,904, вычисленном коэффициенте увеличения массы шихты КП = 0,90206 (формула (5) в [1]) определена равной 1,5336 кг/т стали. С учетом эмиссий С02 от выгорания углерода других компонентов шихты и топлива (см. табл. 1) эмиссия С02 собственно процесса выплавки стали в ЭДП составит Мэдп = 1,534 + + 37,085 + 9,168 + 0,081 + 1,628 + 0,18 + 15,585 = = 65,2 кг С02/т сырой стали. Четвертое, пятое и шестое слагаемые соответствуют эмиссии С02 при выгорании углерода из ферросплавов.
Так как исходный состав шихты в данном случае известен, то можно определить массу выгоревшего углерода иным способом, без использования моделей из работы [1]. В 1 т стали углерода остается 3 кг. В исходной шихте масса углерода равна (см. табл. 1) 20,796 кг, значит, выгорело 20,796 - 3 = 17,796 кг углерода на 1 т стали, что привело к образованию 17,796-3,667 = 65,258 кг С02/т стали.
Сквозная эмиссия С02 (углеродный след) электродуговой плавки с учетом транзитных
эмиссий от производства раскислителей составила 598 кг С02/т стали (см. рисунок), а без учета раскислителей и ферромарганца - 504 кг С02/т стали. Таким образом, использование раскисли-телей стали увеличивает углеродный след ЭДП на 598 - 504 = 94 кг или 100-94/504 = 18,5%.
В работе [1] приведена формула (10) для вычисления сквозной эмиссии в к-й вершине г-го передела. Эта формула была получена при использовании сквозных эмиссий. Целесообразно уточнить формулу, учитывая тот факт, что сквозная эмиссия является суммой эмиссий процесса и транзитной. Кроме того, индексация элементов графа эмиссий в [1] была принята достаточно сложной. Перенумеруем все п вершин графа (от 1 до п). Граф эмиссий С02 отличается от обычных сигнальных графов [7] тем, что он содержит вершины, в которых имеются источники сигналов - эмиссии процессов. Например, вершины, соответствующие ферросплавам.
Опуская вывод, приведем уточненную формулу для вычисления сквозной эмиссии МСк в к-й вершине
I / N \ Р / Я \
Мск = Мт + / , | / , Рщ
¡=1 V у=1 ) т=1 V ?=1 /
где МПк - эмиссия процесса, которому соответствует к-я вершина; - сквозная эмиссия г-й
вершины-источника; Ь - количество вершин-источников, связанных с вершиной; N - количество путей из вершины г в вершину к; Рщ - передача /'-го пути из вершины г в вершину к, равная произведению весов дуг, образующий путь; Р - количество промежуточных вершин, из которых имеются пути в вершину к; МПт - эмиссия процесса в т-й вершине;
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.