УДК 669.162.27.003.1
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ЭКОЛОГО-ПАРНИКОВЫЙ АНАЛИЗ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ БЕСКОКСОВЫХ ПРОЦЕССОВ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И СТАЛИ
© Лисиенко Владимир Георгиевич, д-р техн. наук; Лаптева Анна Викторовна; Чесноков Юрий Николаевич, канд. техн. наук
ФГАОУ ВПО «Уральский федеральный университет имени первого Президента России Б.Н.Ельцина». Россия, г. Екатеринбург. E-mail: annalapteva@mail.ru
Статья поступила 04.08.2010 г.
Приведен сравнительный анализ эмиссии парниковых газов альтернативных бескоксовых металлургических процессов производства чугуна, металлизованных окатышей и стали. При этом использовано представление о технологическом парниковом числе. В рамках энерго-экологического анализа получены конкретные данные, показавшие преимущества процессов ПЛ-В (прямое легирование ванадием) и Ромелт перед остальными твердо- и жидкофазными металлургическими процессами. Также проведено сопоставление энергоемкости продукции и ущерба от вредных выбросов и парниковых газов.
Ключевые слова: парниковый газ; диоксид углерода; технологическое топливное число; технологическое парниковое число; бескоксовые металлургические процессы.
В работах [1, 2] были проведены сравнительные оценки энергоемкости продукции ряда альтернативных бескоксовых процессов в сопоставлении с традиционным аглодоменным процессом. При этом были выявлены существенные преимущества процессов ПЛ-В (прямое легирование ванадием) и Ромелт с учетом использования в этих процессах вторичных энергоресурсов (ВЭР). Однако в настоящее время в связи с резким изменением климатической обстановки на планете и борьбой мирового сообщества с парниковым эффектом требуется проведение и сопоставление оценки процессов и производств с точки зрения эмиссии парникового газа (диоксида углерода) по так называемой «парниковой» активности. Можно считать, что в ряде технологических процессов и производств, в частности, в металлургии, борьба с выбросами парниковых газов в атмосферу от продуктов сгорания имеет большое самостоятельное значение. Процессы черной металлургии непосредственно инициируют эмиссию диоксида углерода. Кроме того, в ходе металлургических процессов происходит эмиссия газов с так называемым косвенным парниковым эффектом: оксид углерода, оксиды азота, диоксид серы. В статье приведены расчеты по эмиссии только диоксида углерода. - Использованные оценки эмиссии парнико-
° вых газов достаточно подробно представлены в ^ работах [3-6]. В этом плане следует отметить детализированные оценки, развиваемые в работах £ Л.Н.Шевелева, относящиеся уже практически к 5 отраслевому стандарту [3-5]. Отличием наших г подходов к оценке парниковых эффектов в рам-
ках энерго-экологического анализа является тесная увязка экологических выбросов и энергоемкости производства продукции. Действительно, тесная связь на качественном уровне легко прослеживается (в применении к парниковым выбросам) по следующей зависимости:
М = Ь т = Ь У\\1 р , (1)
п и ю т аТпгп' 4 '
где Мп - удельная приведенная масса парниковых выбросов в тоннах парниковых газов (п.г) на тонну продукции, т п.г/т продукции; Ьт - удельный расход топлива, кг топл/т прод. или м3 топл/т прод.; тК0,2 - масса парникового газа, образующегося при сгорании единицы топлива, т/т топл. или т/м3 топл.; Уа - объем продуктов сгорания (п.с) на единицу топлива, м3 п.с/кг топл. или м3 п.с/м3 топл.; - доля парниковых газов, в частности С02, в продуктах сгорания или концентрация парниковых газов в продуктах сгорания, м3 п.г/м3 п.с.; рп - плотность парниковых газов, кг/м3.
В данной работе применен сквозной подход к оценке удельных парниковых выбросов (по аналогии с оценкой сквозной энергоемкости продукции и определением эмиссии вредных выбросов). Кроме того, также по аналогии с эмиссией вредных выбросов, с целью возможной сравнительной оценки ущерба от выбросов парниковых газов с энерго-экологоемкостью продукции предложено этот ущерб выражать в энергетических единицах. Это дает возможность сопоставлять ранее определенную энергоемкость продукции рассматриваемых производств с оцененным ущербом от выбросов парниковых газов.
По аналогии с технологическими топливным и экологическим числами (ТТЧ и ТЭЧ) [7] было введено понятие технологического парникового числа (ТПЧ)
ТПЧг=*в!Х, (2)
к=1
где Мк - фактическая удельная масса выбросов парниковых газов к-го загрязняющего вещества, т выбр/т прод., для г-го передела; Кв - коэффициент перевода стоимостной оценки ущерба к оценке в условных энергетических единицах (кг у.т/т п.г). Если принять в качестве топлива природный газ и его цену («газовый» эквивалент), Кв представляется в виде
с ор
(3)
1.пр.г
С Ор ,
пр.г ^н.у.т
где Св.в - плата природопользователя (предприятий, учреждений, организаций) за загрязнение окружающей среды выбросами в атмосферу парниковых газов (принято значение 50 долл. США или 1500 руб/т п.г); Спр.г - цена природного газа (принято на уровне 350 долл. США за 1000 м3 или 0,35 долл. США за 1 м3, Спр.г = 10,5 руб. за 1 м3); Qp[.у.т - низшая рабочая теплота сгорания природного газа (35,8 МДж/м3); Qp[.пp.г - низшая рабочая теплота сгорания условного топлива (29,3 МДж/кг у.т). С учетом принятых значений параметров формулы получаем
0,05долл/кгп.г 35,8МДж/м3
К» = а
0,35долл/м 29,ЗМДж/кгу.т
= 0,1745 кг у.т/кг п.г.
Величина Кв характеризует степень компенсации экологического ущерба при действующем соотношении цен на условное топливо и платы предприятия за выбросы парниковых газов. В условиях рыночной экономики цена на топливо может изменяться, при этом плата за выбросы парниковых газов, возможно, изменяется синхронно. Следовательно, Кв является условным расчетным коэффициентом, характеризующим соотношение этих экономических оценок и, естественно, подлежит корректировке при изменении этих оценок.
Таким образом, ТПЧ - это количество килограммов условного топлива, требуемого для погашения стоимости экономического ущерба от выбросов парниковых газов на единицу выпускаемой продукции. Результирующее значение ТПЧ для конкретной продукции (например, чугуна) вычисляется по значениям ТПЧ
предыдущих переделов с учетом их массовых долей
м ( N Л
тпч=^в£ (4)
¡=1 V к=1
/
где индекс г соответствует номеру передела в технологической цепи, а индекс к означает эмиссию диоксида углерода от к-го источника в г-м переделе. Коэффициент Кв принимается постоянной величиной, поэтому суммированию подлежат только значения эмиссий.
Фактическую удельную массу парникового газа (С02), выделяемого в атмосферу, связанную с использованием топлива и энергии от продуктов сгорания при функционировании энерготехнологических агрегатов, можно определить тремя методами: по количеству сжигаемого углерода топлива [5], по концентрации диоксида углерода в продуктах сгорания (1) и по количеству энергии, использованной в технологическом процессе [6].
Приведем некоторые примеры. Так, масса парникового газа, образующегося от полного сжигания каменного угля, например в котлах электростанций, определяется количеством углерода в топливе. Массовый состав рабочей массы [8] каменного угля тощего с содержанием углерода 0,719 т/т топл. следующий (%): Ср - 71,9; Нр -3,4; 0р - 1,6; № - 1,6; 8рор+к - 0,5; его характеристики: Ар = 14; ^ = 7; низшая теплота сгорания Qн = 27,63 МДж/кг; что эквивалентно 0,942 кг у.т.
При сгорании 1 т углерода образуется 3,667 т диоксида углерода [5]. Следовательно, при сжигании 1 т каменного тощего угля образуется мК0,2 = 0,719-3,667 = 2,637 т диоксида углерода
Масса парникового газа, образующегося от сжигания природного газа, также определяется количеством окисленного углерода. Однако в этом случае целесообразно воспользоваться данными по составу продуктов сгорания того или иного природного газа. Для природного газа Промысловского месторождения Астраханской обл. ^ = 34,79 МДж/м3, р = 0,739 кг/ м3), для примера, объем выбросов состоит из [8, 9]:
V =УЛ02+УМ2+УН20 =
а а а а
= 0,982 + 7,316 + 2,079 = 10,377 м3/м3.
Для перевода объемной эмиссии С02 в массовый расход принята его плотность р = 1,977 кг/м3, тогда 1 м3 природного газа соответствует тК0)2 = 0,982-1,977 = 1,94 кг пр.г. При массовой плотности 0,739 кг/м3 эмиссия С02 при сжигании этого природного газа равна 1,94/0,739 = 2,63 кг п.г/кг пр.г. Здесь задано
абсолютное значение объема С02 в продуктах сгорания. Если заданы относительные величины характеристик, то следует воспользоваться формулой (1).
Вычисление эмиссии диоксида углерода при неполном сгорании топлива или выгорании углерода из шихты имеет ряд особенностей. В этом случае в продуктах сгорания присутствует оксид углерода, эмиссия которого в атмосферу недопустима. По этой причине в простейшем случае С0 сжигают в факелах или дожигают в специальных устройствах. Ряд газовых смесей (доменный, коксовый газы) используются как топливо, что приводит к дожиганию СО до С02. Таким образом, массу С02, образующегося в доменном, коксохимическом, электродуговом, мартеновском процессах следует определять с учетом дожигания С0 по суммарной массе углерода, содержащегося в соответствующих газовых смесях. В кислородно-конвертерном процессе с дожиганием масса С02 будет пропорциональна массе выгоревшего из шихты углерода.
Принято, что на производство 1 кВт-ч электроэнергии требуется 0,388 кг у.т, что соответствует 11,38 МДж. С учетом приведенных ранее параметров угля и газа такую теплоту сгорания - 0,388-29,33/27,63 = 0,412 кг/кВт-ч - можно получить от каменного угля тощего, при сгорании которого выделится 0,412-2,637 = 1,086 кг, или 0,549 м3 диоксида углерода. Природного газа на производство 1 кВт-ч электроэнергии требуется 0,388-29,33/34,79 = 0,327 м3, или 0,242 кг/кВт-ч. При его сгорании образуется 0,321 м3, или 0,635 кг диоксида углерода. Таким образом, экологоем-кость (по парниковому газу) произведенной электроэнергии для электростанций, работающих на угле, в 1,71 раза больше, чем для электростанций, работающих на природном газе. Отметим, что в дальнейшем при проведении сравнительных расчетов рассматривается электроэнергия, вырабатываемая только на каменном угле.
Рассмотрим конкретные примеры. Например, на 1
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.