Система утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв для вироблення електроенергії

1. Система утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв для вироблення електроенергії, що містить газову турбіну, яка використовує стиснений газ як робоче тіло, компресор, який встановлений на одному валу з газовою турбіною та обладнаний вхідним патрубком, який підключений до мережі доменного газу, і вихідним патрубком, який підключений до газової турбіни, яка відрізняється тим, що система обладнана паровою турбіною та електрогенератором, які встановлені на одному валу з газовою турбіною, а також котлом-утилізатором, при цьому перед компресором встановлений мокрий електрофільтр, вхід котла-утилізатора підключений до вихідного газоходу газової турбіни, а вихід котла-утилізатора підключений до вхідного газоходу парової турбіни, крім того, система обладнана газгольдером до U 2 (11) 1 3 ним клапаном з'єднує газопровід підведення газу до турбіни з входом компресора. Вихідний газопровід компресора сполучений з вихідним патрубком турбіни за допомогою ежектора та сполучений з трубопроводом споживача. На одному валу з турбіною, компресором і повітродувкою додатково встановлений електродвигун (патент Російської Федерації №2036324, МПК F02C1/00, F02C 3/04, опубл. 27.05.95). В об'єкті, що заявляється, і обраному прототипі збігаються такі суттєві ознаки. Обидві системи містять газову турбіну, яка використовує стиснений газ як робоче тіло, компресор, який встановлений на одному валу з газовою турбіною і обладнаний вхідним патрубком, який підключений до мережі доменного газу, та вихідний патрубок, який підключений до газової турбіни. Аналіз технічних властивостей прототипу, обумовлених його ознаками, показує, що одержанню очікуваного технічного результату при використанні обраного прототипу перешкоджають такі причини. Недоліком відомої системи є низька ефективність утилізації доменного газу, оскільки ця система призначена тільки для використання потенційного тиску доменного газу, а хімічна енергія доменного газу та теплова енергія продуктів згоряння доменного газу абсолютно не використовуються. В процесі роботи доменної печі об'єми і тиск доменного газу змінюються. При утилізації енергії доменного газу не передбачено безперебійне транспортування доменного газу до газової турбіни зі сталим тиском, що також знижує ефективність утилізації доменного газу. Крім того, прототип призначений для використання потенційного тиску тільки доменного газу від однієї доменної печі, що не дозволяє спільно з доменним газом використовувати такі горючі вторинні гази металургійних виробництв, як коксовий газ та конвертерний газ. В основу об'єкта, що заявляється, поставлено задачу створити таку систему утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв для вироблення електроенергії, в якій удосконалення шляхом введення нових елементів дозволить при використанні об'єкта, що заявляється, забезпечити досягнення технічного результату, який полягає у підвищенні ефективності утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв. Поставлена задача вирішується за рахунок того, що система утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв для вироблення електроенергії, що заявляється, містить газову турбіну, яка використовує стиснений газ як робоче тіло, компресор, який встановлений на одному валу з газовою турбіною і обладнаний вхідним патрубком, який підключений до мережі доменного газу, та вихідним патрубком, який підключений до газової турбіни. Відмітною особливістю об'єкта, що заявляється, є наступне. Система обладнана паровою турбіною та електрогенератором, які встановлені на одному валу з газовою турбіною, а також котлом-утилізатором. При цьому перед компресором встановлений мокрий електрофільтр, вхід котла-утилізатора підключений до вихідного газоходу газової турбіни, а вихід котла 56271 4 утилізатора підключений до вхідного газоходу парової турбіни. Крім того, система обладнана газгольдером доменного газу, який підключений на протік до мережі доменного газу та обладнаний засобом для підтримування сталого тиску в мережі доменного газу. В окремих випадках виконання, об'єкт, що заявляється, відрізняється тим, що: - система додатково обладнана газопідвищувальною станцією коксового газу, яка підключена до мережі коксового газу та до вхідного патрубка компресора через мережу газопроводу, а також газгольдером коксового газу, який як буферна ємність підключений до газопідвищувальної станції коксового газу; - система додатково обладнана газовим змішувачем доменного і конвертерного газів, який розташований на трубопроводі подачі доменного газу від газгольдера доменного газу до вхідного патрубка компресора, а також газгольдером конвертерного газу, який підключений на протік до мережі конвертерного газу після послідовно встановлених електрофільтрів, клапанної станції та газоохолоджувачів, обладнаний засобом для підтримування сталого тиску конвертерного газу та підключений до газового змішувача через газопідвищувальну станцію. Крім того, клапанна станція сполучена газопроводом з факельною свічкою, а блок керування клапанною станцією підключений до газоаналізатора на вміст СО у конвертерному газі для забезпечення перемикання потоку конвертерного газу на газгольдер конвертерного газу або на факельну свічку залежно від заданого вмісту СО у конвертерному газі. При використанні об'єкта, що заявляється, забезпечується досягнення технічного результату, який полягає у підвищенні ефективності утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв. Між ознаками об'єкта, що заявляється, та технічним результатом, який досягається, існує такий причинно-наслідковий зв'язок. Обладнання системи утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв паровою турбіною та електрогенератором, які встановлені на одному валу з газовою турбіною, а також котлом-утилізатором, при цьому перед компресором встановлений мокрий електрофільтр, вхід котлаутилізатора підключений до вихідного газоходу газової турбіни, а вихід котла-утилізатора підключений до вхідного газоходу парової турбіни, забезпечує використання не тільки потенційного тиску доменного газу, але й використання хімічної енергії доменного газу та теплової енергії продуктів згоряння доменного газу. Хімічна енергія доменного газу використовується шляхом спалювання доменного газу в камері згоряння газової турбіни. Далі вже теплова енергія робочого газу перетворюється в механічну енергію, яка використовується для обертання ротора електрогенератора змінного струму. Відпрацьований газ після газової турбіни через вихідний газохід прямує в котелутилізатор, де виробляється пара високого і низького тиску, яка спрямовується в парову турбіну, що знаходиться на одному валу з газовою турбіною, 5 газовим компресором та електрогенератором. Обладнання системи газгольдером доменного газу, який підключений на протік до мережі доменного газу та обладнаний засобом для підтримування сталого тиску в мережі доменного газу, забезпечує при утилізації енергії доменного газу безперебійне та стабільне транспортування доменного газу до газової турбіни з постійним тиском. Додаткове обладнання системи утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв газопідвищувальною станцією коксового газу, яка підключена до мережі коксового газу і до вхідного патрубка компресора через мережу газопроводу, а також газгольдером коксового газу, який як буферна ємкість підключений до газопідвищувальної станції коксового газу, забезпечує використання коксового газу спільно з доменним газом. Коксовий газ з непостійним тиском надходить до газгольдеру, де він акумулюється, а його тиск вирівнюється. Газгольдер також служить для вирівнювання споживання коксового газу газотурбінною електростанцією, оскільки під час пуску газотурбінна електростанція споживає більшу кількість газу в порівнянні зі сталим режимом. Газопідвищувальна станція коксового газу забезпечує доставку газу до вхідного патрубка газового компресора газотурбінної електростанції з тиском, який необхідний відповідно до умов роботи. Додаткове обладнання системи газовим змішувачем доменного і конвертерного газів, який розташований на трубопроводі подачі доменного газу від газгольдера доменного газу до вхідного патрубка компресора, а також газгольдером конвертерного газу, який підключений на протік до мережі конвертерного газу після послідовно встановлених електрофільтрів, клапанної станції та газоохолоджувачів, обладнаний засобом для підтримки сталого тиску конвертерного газу та підключений до газового змішувача через газопідвищувальну станцію, крім того, з’єднання клапанної станції газопроводом з факельною свічкою, та підключення блока управління клапанною станцією до газоаналізатора на вміст СО в конвертерному газі для забезпечення перемикання потоку конвертерного газу на газгольдер конвертерного газу або на факельну свічку залежно від заданого вмісту СО в конвертерному газі, забезпечує використання конвертерного газу спільно з доменним газом. У конвертерному процесі газ з різним вмістом СО виділяється порціями періодично тільки під час продування конвертерів. У газгольдер для акумуляції прямує тільки конвертерний газ з вмістом СО більше 30% після надходження відповідного керуючого сигналу на клапанну станцію від газоаналізатора на вміст СО в газі. Конструкція газгольдера конвертерного газу дозволяє підтримувати сталий тиск і в мережі, і передгазопідвишувальною станцією. Газопідвищувальна станція конвертерного газу забезпечує доставку газу до газового змішувача для якісного змішування доменного і конвертерного газів. Додаткове використання хімічної енергії доменного газу і теплової енергії продуктів згоряння доменного газу, а також спільне з доменним газом 56271 6 використання коксового газу і конвертерного газу при безперебійному транспортуванні цих газів до газової турбіни при стабільному тиску підвищує ефективність утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв. Суть системи утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв для вироблення електроенергії, що заявляється, пояснюється за допомогою графічних матеріалів, на яких зображено: - на Фіг.1 - загальний вид системи при утилізації доменного газу; - на Фіг.2 - загальний вид системи при утилізації доменного газу і коксового газу; - на Фіг.3 - загальний вид системи при утилізації доменного газу і конвертерного газу; на Фіг.4 - загальний вид системи при утилізації доменного газу, коксового газу і конвертерного газу. На представлених графічних матеріалах позиціями позначені такі елементи: 1 - газова турбіна; 2 - компресор; 3 - вхідний патрубок компресора; 4 - вихідний патрубок компресора; 5 - парова турбіна; 6 - електрогенератор; 7 - котел-утилізатор; 8 - патрубок газів, що відходять; 9 - мокрий електрофільтр; 10 - вихідний газохід газової турбіни; 11 - вхідний газохід парової турбіни; 12 - газгольдер доменного газу; 13 - мережа доменного газу; 14 - трубопровід подачі доменного газу; 15 - поршень газгольдера доменного газу; 16 - газопідвищувальна станція коксового газу; 17 - мережа коксового газу; 18 - газопровід коксового газу; 19 - газгольдер коксового газу; 20 - газовий змішувач; 21 - газгольдер конвертерного газу; 22 - мережа конвертерного газу; 23 - електрофільтр; 24 - клапанна станція; 25 - газоохолоджувачі; 26 - поршень газгольдера конвертерного газу; 27 - газопідвищувальна станція конвертерного газу; 28 - газопровід; 29 - факельна свічка; 30 - блок управління клапанною станцією; 31 - газоаналізатор. У конкретному прикладі здійснення, наприклад, при утилізації доменного газу, система утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв характеризується наступним (Фіг.1). Система містить газову турбіну 1, яка використовує стиснений газ як робоче тіло, компресор 2, який встановлений на одному валу з газовою турбіною 1 та обладнаний вхідним патрубком 3, який підключений до мережі доменного газу, і вихідний патрубок 4, який підключений до газової турбіни 1. Система обладнана паровою турбіною 5 і електрогенератором 6, які встановлені на одному валу з 7 газовою турбіною 1. Система також обладнана котлом-утилізатором 7 з патрубком 8 для газів, що відходять. При цьому перед компресором 2 встановлений мокрий електрофільтр 9, який підключений до вхідного патрубка 3, вхід котла-утилізатора 7 підключений до вихідного газоходу 10 газової турбіни 1, а вихід котла-утилізатора 7 підключений до вхідного газоходу 11 парової турбіни 5. Крім того, система обладнана газгольдером доменного газу 12, який підключений на протік до мережі доменного газу 13 та підключений трубопроводом подачі доменного газу 14 до мокрого електрофільтру 9. Газгольдер доменного газу 12 обладнаний поршнем 15 для підтримки сталого тиску в мережі доменного газу. Сухий газгольдер доменного газу 12 має об'єм 100тис.м3. Маса поршня газгольдера доменного газу 15 обчислюється з умови підтримки в мережі доменного газу сталого тиску газу на рівні 1200 1300мм водяного стовпа. На газопроводах доменного газу, а також на вході і виході газгольдера доменного газу встановлена швидкодіюча трубопровідна арматура. У конкретному прикладі здійснення, наприклад, при одночасній утилізації доменного газу і коксового газу, система утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв характеризується наступним (Фіг.2). Система додатково обладнана газопідвищувальною станцією коксового газу 16, яка підключена до мережі коксового газу 17 та до вхідного патрубка 3 компресора 2 через газопровід коксового газу 18 і мокрий електрофільтр 9. Система також обладнана газгольдером коксового газу 19, який як буферна ємкість підключений до газопідвищувальної станції коксового газу 16. Газгольдер коксового газу 19 має об'єм 50тис.м3 при тиску газу на рівні 300 350мм водяного стовпа. На газопроводах коксового газу, а також на вході і виході газгольдера коксового газу встановлена швидкодіюча трубопровідна арматура. У конкретному прикладі здійснення, наприклад, при одночасній утилізації доменного газу і конвертерного газу система утилізації горючих вторинних газів металургійних виробництв характеризується наступним (Фіг.3). Система додатково обладнана газовим змішувачем 20 доменного і конвертерного газів, який розташований на трубопроводі подачі доменного газу 14 від газгольдера доменного газу 12 до вхідного патрубка З компресора 2, а також газгольдером конвертерного газу 21, який підключений на протік до мережі конвертерного газу 22 після послідовно встановлених електрофільтрів 23, клапанної станції 24 та газоохолоджувачів 25. Газгольдер конвертерного газу 21 обладнаний поршнем 26 для підтримування сталого тиску конвертерного газу та підключений до газового змішувача 20 через газопідвищувальну станцію конвертерного газу 27. Клапанна станція 24 з'єднана газопроводом 28 з факельною свічкою 29, а блок управління 30 клапанною станцією 24 підключений до газоаналізатора 31 на вміст СО в конвертерному газі для забезпечення перемикання потоку конвертерного газу на газгольдер конвертерного газу 21 або на факельну свічку 29 в залежності від заданого вмісту СО в конвертерно 56271 8 му газі. Газгольдер конвертерного газу 21 має об'єм 80тис.м3. Маса поршня 26 розраховується за умови підтримки в мережі конвертерного газу сталого тиску газу на рівні 200 250мм водяного стовпа. На газопроводах конвертерного газу, а також на вході і виході газгольдера конвертерного газу встановлена швидкодіюча трубопровідна арматура. Конкретний приклад виконання системи при одночасній утилізації доменного, коксового і конвертерного газів характеризується одночасним використанням всіх вище наведених конструктивних елементів (Фіг.4). Робота системи при утилізації доменного, коксового і конвертерного газів здійснюється у конкретному прикладі так. Доменний газ у кількості 500тис.м3/год. від різних доменних печей збирається в спільну мережу доменного газу 13 та акумулюється в газгольдері доменного газу 12, ємкість якого становить 100тис.м3. Тиск в газопроводах створюється за рахунок залишкового напору доменного газу після газоочисток доменних печей (1200 1300мм водяного стовпа) і стабільно підтримується в газгольдері доменного газу 12 поршнем 15. Для недопущення застою доменного газу та, як наслідок, його охолодження в зимовий період або недопущення його перегрівання в теплий період року весь об'єм доменного газу, який необхідний для роботи газової турбіни 1, проходить через газгольдер доменного газу 12. Доменний газ з газгольдера доменного газу 12 через трубопровід подачі доменного газу 14 надходить в мокрий електрофільтр 9 і, після очищення, при сталій витраті та сталому тиску поступає в компресор 2 та далі в газову турбіну 1. Гарячий робочий газ після камери згоряння розширюється в газовій турбіні 1, теплова енергія робочого газу перетворюється в механічну енергію, яка використовується для обертання ротора електрогенератора 6. З вихідного газоходу 10 газової турбіни 1 доменний газ надходить на вхід котла-утилізатора 7. Відпрацьований в газовій турбіні 1 доменний газ через вихідний газохід 10 прямує в котел-утилізатор 7, де виробляється пара високого і низького тиску, яка по вхідному газоходу 11 спрямовується в парову турбіну 5. Відпрацьований доменний газ видаляється з котлаутилізатора 7 через патрубок 8 для газів, що відходять. Газова турбіна 1 та парова турбіна 5 спільно обертають ротор електрогенератора 6, який встановлений на одному з ними валу. Коксовий газ від коксової батареї в кількості 42тис.м3/год. з мережі коксового газу 17 прямує в газгольдер коксового газу 19 об'ємом 50тис.м3, в якому стабільно підтримується тиск газу на рівні 300 350мм водяного стовпа. Після газопідвищувальної станції коксового газу 16 коксовий газ надходить по газопроводу 18 на мокрий електрофільтр 9 і, після очищення, далі спільно з доменним газом, як було наведено вище, забезпечує роботу газової турбіни 1 і парової турбіни 5, які спільно обертають ротор електрогенератора 6. Конвертерний газ в кількості 65тис.м3/год. від конвертерів по газовідвідному тракту поступає на електрофільтри 23 для очищення. Як паливо для виробляння електроенергії використовується тіль 9 ки кондиційний конвертерний газ з вмістом CO більше 30%. Очищений до кінцевої запиленості 30мг/м3 конвертерний газ періодично (при продуваннях конвертерів) подається через клапанну станцію 24 в газоохолоджувачі 25, де температура газу знижується до 60°С, після чого він спрямовується в газгольдер конвертерного газу 21. Клапанна станція 24 з'єднана газопроводом 28 з факельною свічкою 29, а блок управління клапанною станцією 30 підключений до газоаналізатора 31 на вміст СО в конвертерному газі для забезпечення перемикання потоку конвертерного газу на газоохолоджувачі 25 і газгольдер 21 при вмісті СО в конвертерному газі більше 30% або на факельну свічку 29 при вмісті СО в конвертерному газі менше 30%. У газгольдері конвертерного газу 21 поршнем 26 підтримується сталий тиск газу на рівні 56271 10 200 250мм водяного стовпа. З газгольдера 21 конвертерний газ надходить на вхід газодувок газопідвищувальної станції 27, де його тиск підвищується для передачі на газовий змішувач 20. Після газового змішувача 20 суміш доменного і конвертерного газів поступає по трубопроводу подачі доменного газу 14 на мокрий електрофільтр 9 і, після очищення, далі спільно з доменним газом, як було наведено вище, забезпечує роботу газової турбіни 1 і парової турбіни 5, які спільно обертають ротор електрогенератора 6. Електроенергія, яка виробляється газотурбінною електростанцією при утилізації доменного, коксового та конвертерного газів, спрямовується в енергосистему металургійного комбінату. При цьому ККД газотурбінної електростанції досягає 44%. 11 56271 12 13 Комп’ютерна верстка М. Ломалова 56271 Підписне 14 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601