Optymalizacja struktury i parametrów pracy elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej z procesem metalurgicznym Corex

Marcin Liszka Optymalizacja struktury i parametrów pracy elektrociepłowni gazowo-parowej zintegrowanej z procesem metalurgicznym Corex Praca Doktorska Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Instytut Techniki Cieplnej Gliwice 2006

Autor: Marcin Liszka Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Instytut Techniki Cieplnej ul. Konarskiego 22 44-100 Gliwice e-mail: liszka@itc.polsl.pl Promotor: Prof. dr hab. inż. Andrzej Ziębik Politechnika Śląska Wydział Inżynierii Środowiska i Energetyki Instytut Techniki Cieplnej ul. Konarskiego 22 44-100 Gliwice e-mail: ziebik@itc.polsl.pl c Copyright 2006 by Marcin Liszka

Promotorowi niniejszej pracy dziękuję za wskazanie jej tematu oraz opiekę naukowa Autor

Spis treści Wstęp 11 1 Proces Corex 15 2 Uwarunkowania pracy układu energo - technologicznego w wybranej hucie 21 2.1 Dobór wielkości instalacji Corex.................. 22 2.2 Zapotrzebowanie na ciepło grzewcze................ 23 2.3 Zapotrzebowanie na parę technologiczna.............. 23 2.4 Otoczenie ekonomiczne....................... 24 2.4.1 Ceny paliw i surowców................... 26 2.4.2 Ceny produktów finalnych................. 28 2.4.3 Wskaźniki makroekonomiczne............... 34 3 Wybór typu elektrociepłowni 37 3.1 Siłownie opalane gazami średnio- i niskokalorycznymi...... 37 3.2 Gaz Corex jako paliwo układu gazowo - parowego........ 43 3.3 Integracja z tlenownia........................ 45 4 Dotychczasowe doświadczenia w optymalizacji układów gazowo - parowych 51 5 Sformułowanie problemu optymalizacji 59 5.1 Funkcja celu............................. 60 5.2 Wstępna struktura elektrociepłowni................ 66 5.3 Zmienne decyzyjne......................... 69 5.4 Warianty prowadzenia obliczeń................... 73 5.5 Ograniczenia eksploatacyjne.................... 80 5.6 Rozdzielczość obliczeń symulacyjnych............... 81 5

6 Spis treści 6 Algorytm optymalizacyjny 85 6.1 Strategia optymalizacji....................... 85 6.2 Kryteria doboru algorytmu..................... 87 6.3 Hybrydowy algorytm optymalizacyjny............... 88 7 Model układu gazowo - parowego 93 7.1 Turbina gazowa........................... 94 7.2 Kocioł odzyskowy......................... 100 7.3 Turbina parowa, kondensator, chłodnia wentylatorowa...... 104 7.4 Sieć ciepłownicza.......................... 106 7.5 Wybrane założenia liczbowe.................... 107 8 Charakterystyki nakładów inwestycyjnych 109 8.1 Uwagi metodyczne......................... 109 8.2 Instalacja Corex z tlenownia.................... 112 8.3 Turbina gazowa........................... 113 8.4 Kocioł odzyskowy......................... 116 8.5 Turbina parowa, kondensator, chłodnia wentylatorowa...... 118 9 Wyniki obliczeń i analiza wrażliwości 119 10 Wnioski 127 Spis tablic 131 Spis rysunków 131 Bibliografia 135

Lista symboli β η κ φ π ψ σ τ Θ ε ϕ ξ stopa kosztów obsługi i remontów sprawność oprocentowanie stosunek domieszki gazu ziemnego stosunek ciśnień liczba przepływu wskaźnik skojarzenia czas, h parametr charakterystyczny efektywność wymiennika ciepła wilgotność względna efektywność chłodzenia łopatkowego A pole powierzchni, m 2 B c c E G egzergia, J, J/rok cena, USD/GJ, USD/MWh, USD/Mg pojemność cieplna właściwa, J/kgK Energia, J, J/rok ilość substancji, kg, kg/rok 7

8 I I i i K k N n P p Q r T entalpia fizyczna, J nakład inwestycyjny, USD entalpia właściwa, kj/kg inflacja koszt, USD, USD/rok współczynnik przenikania ciepła, W/m 2 K moc, W liczba lat eksploatacji podatek dochodowy, USD, USD/rok ciśnienie, Pa ciepło, J, J/rok stopa dyskonta temperatura, K, o C Indeksy dolne ch CT CW cx d E EC el G g K chemiczny podukład: Corex - tlenownia chłodnia wentylatorowa gaz Corex dodatkowe ekspander elektrociepłownia elektryczny generator ciepło grzewcze kompresor

9 k KO kredyt kocioł odzyskowy KON D kondensator KS n nat nozz N P ot p P A ps pt PW R r ref RH s sk sp T G top T P U D komora spalania warunki znamionowe dotyczy korzystania ze środowiska naturalnego oznacza łopatki kierownicze niskociśnieniowy otoczenie powietrze wymiennika ciepła powietrze sprężone - azot powietrze sprężone para technologiczna podgrzewacz wody sieciowej w kotle odzyskowym roczny ruda żelaza referencyjny wtórny przegrzewacz pary w kotle odzyskowym surówka skojarzone wytwarzanie ciepła i elektryczności spaliny turbina gazowa topniki turbina parowa układ dopalania w kotle odzyskowym

10 U P UZ w wch wl W P W U wu z drugi upust turbiny parowej układ zintegrowany węgiel woda chłodzaca kapitał własny wysokociśnieniowy podgrzewacz wody sieciowej zasilany parą z upustu woda uzupełniajaca gaz ziemny Wskaźniki górne kropka nad symbolem wielkości dotyczy pochodnej po czasie (strumienia) tej wielkości

Wstęp Ogromne znaczenie różnych form energii w życiu współczesnych społeczeństw skłania do ciągłego doskonalenia metod ich pozyskiwania. Według stanu na rok 2002 około 87 % [53, 99] światowego zużycia energii pierwotnej stanowiły paliwa kopalne. Procesy wydobycia, transportu i konwersji tych paliw wywierają znaczący wpływ na środowisko naturalne, ekonomiczne i polityczne społeczeństw. W zależności od poziomu odniesienia wpływ ten może przyjmować cechy negatywne (np. degradacja środowiska naturalnego z punku widzenia ludności zamieszkuja- cej dany teren) lub pozytywne (np. wpływy pieniężne pochodzace ze sprzedaży paliw z punktu widzenia państw - eksporterów ropy naftowej). Naturalne dążenie do minimalizacji oddziaływań negatywnych lub maksymalizacji pozytywnych wiąże się z koniecznościa podejmowania szeregu decyzji odnośnie wyboru konkretnych rozwiązań technicznych, planowania strategicznego, czy też zarzadzania zasobami ludzkimi. Istotę tak rozumianego procesu decyzyjnego można wyrazić pytaniem ogólnym: która spośród dróg rozwiązania danego problemu jest najlepsza do osiagnięcia założonego celu? W odniesieniu do systemów energetycznych, w których zachodzi konwersja energii chemicznej paliw kopalnych, pytanie to przyjmuje formy bardziej szczegółowe: Jaki rodzaj paliwa należy zastosować? Który ze znanych sposobów konwersji paliwa jest w określonych warunkach najlepszy? W jaki sposób połaczyć poszczególne elementy systemu? Jakie wartości powinny przyjmować parametry czynników roboczych w poszczególnych punktach systemu? Jaki algorytm sterowania w określonych warunkach pracy jest najlepszy? Udzielenie metodycznie uzasadnionych odpowiedzi na powyższe i podobne im pytania stanowi przedmiot optymalizacji, która w ujęciu matematycznym sprowadza 11

12 Wstęp się do poszukiwania takich wartości zdefiniowanych uprzednio zmiennych decyzyjnych, dla których funkcja celu, wyrażajaca pozytywne lub negatywne cechy systemu przyjmuje wartości ekstremalne [64]. Optymalizacja cech konstrukcyjnych i parametrów eksploatacyjnych jest szczególnie pożadana w przypadku systemów o dużym stopniu skomplikowania, obejmujących swym działaniem różne gałęzie przemysłu. Przykładem mogą być tutaj układy energo - technologiczne zawierajace siłownie cieplne współpracujace z instalacjami chemicznymi, metalurgicznymi lub farmaceutycznymi. Występujace tam liczne sprzężenia zwrotne w postaci np. produkcji odpadowych nośników energii w tym paliw w części technologicznej (np. gaz wielkopiecowy, para z układów chłodzenia urządzeń) stwarzaja możliwość głębokiej racjonalizacji gospodarki energetycznej poprzez optymalizację [89]. Technologia o wysokiej podatności na integrację z obiektami energetyki przemysłowej jest metalurgiczny proces Corex. Służy on do produkcji surówki żelaza i gazu palnego bez wykorzystywania koksu. Zastąpienie koksu (obecnego w powszechnie stosowanym procesie wielkopiecowym) węglem energetycznym przesądza o walorach ekologicznych procesu. Innowacyjność technologiczna instalacji Corex w połaczeniu z potencjalnymi możliwościami jej budowy w surowcowych hutach żelaza na terenie Polski skłoniły autora i promotora niniejszej pracy do podjęcia badań z zakresu integracji procesu Corex z wybranym systemem hutniczej gospodarki energetycznej. Kluczowym elementem takiej integracji jest elektrociepłownia, która łączy w swym działaniu popyt na różne formy energii finalnej oraz podaż różnego rodzaju paliw. Biorąc pod uwagę fakt iż wytwarzanie paliwa gazowego w instalacji Corex zachodzi poprzez zgazowanie węgla w atmosferze ciekłego metalu celowe jest rozpatrzenie struktury elektrociepłowni opartej o układ gazowo - parowy. Zintegrowany układ Corex - elektrociepłownia gazowo - parowa można zatem zaliczyć do grupy układów IGCC (ang. Integrated Gasification Combined Cycles), postrzeganych jako jedna z przyszłościowych technologii wykorzystania kopalnych paliw stałych [101, 99]. Barierą rozwoju układów IGCC są jednak wysokie nakłady inwestycyjne [99]. W przypadku zintegrowanego układu proces Corex - elektrociepłownia, w którym występuje kilka produktów finalnych, zbywanych w różnych gałęziach gospodarki można jednak oczekiwać poprawy efektów ekonomicznych całego przedsięwzięcia (w stosunku do klasycznego układu IGCC, produkujacego tylko elektryczność). Optymalizacja struktury i parametrów pracy elektrociepłowni jest w tych warunkach celowa i może przesadzić o zasadności stosowania zaawansowanych układów energo - metalurgicznych w Polsce. Zamysłem autora było rozwiązanie w ramach niniejszej pracy złożonego zadania optymalizacji oraz zbudowanie na tej podstawie ogólnych wskazówek i schematu postępowania, dotyczacego optymalizacji elektrociepłowni gazowo - paro-

Wstęp 13 wych zasilanych gazami technologicznymi. W ramach wprowadzenia i przygotowania danych wejściowych zbadano otoczenie, w jakim funkcjonuje elektrociepłownia (rozdziały 1-2), uzasadniono wybór jej typu (rozdział 3) oraz sporzadzono przeglad obecnego stanu wiedzy o optymalizacji układów gazowo - parowych (rozdział 4). Sformułowanie i rozwiązanie właściwego problemu optymalizacji przedstawione w rozdziałach 5-9 łączy w sobie między innymi elementy modelowania matematycznego, ekonomii oraz numerycznych metod optymalizacji. Szczególny nacisk położono na utworzenie hybrydowego, deterministyczno - probabilistycznego algorytmu optymalizacyjnego oraz na symulację działania elektrociepłowni w zmiennych warunkach pracy dla każdego zestawu zmiennych decyzyjnych generowanych podczas optymalizacji. Zastosowane metody umożliwiły wyciągnięcie szeregu wniosków odnośnie konstrukcji układów gazowo - parowych, ich integracji w ramach instalacji IGCC oraz perspektyw budowy instalacji Corex w warunkach krajowych.

1 Proces Corex W celu identyfikacji właściwości procesu Corex jako elementu układu IGCC oraz budowy bazy danych niezbędnych do obliczeń wykonano przeglad dostępnej literatury obejmujacy pozycje obecnie historyczne (np. [120]) oraz zawierajace najnowsze dane eksploatacyjne (np. [91]). Podano zarys zjawisk metalurgicznych wpływajacych na dostępność i parametry gazu eksportowanego z instalacji. Ustalono także stopień rozwoju technologii Corex na tle innych metod produkcji surówki żelaza, wśród których najbardziej rozpowszechnione jest jej wytwarzanie w wielkim piecu. Pomimo znacznego postępu w dziedzinie technologii wielkopiecowej, który miał miejsce w okresie ostatnich 50-ciu lat nie udało się wyeliminować takich jej wad, jak: konieczność oddzielnego koksowania węgla i spiekania rudy, rozdzielone sprężanie i nagrzewanie dmuchu (duże straty egzergii), wysoka efektywność tylko w przypadku dużych jednostek (1.5-3 mln t/rok), mała elastyczność dopasowania wydajności do bieżącego zapotrzebowania na surówkę, wysokie bezwzględne nakłady inwestycyjne oraz długie okresy zwrotu inwestycji w przypadku huty pracujacej w oparciu o wielkie piece. Stało się to przyczyna poszukiwań alternatywnych sposobów produkcji surówki żelaza. Pierwsze próby podjęto w połowie ubiegłego wieku, kiedy to opracowano koncepcję redukcji bezpośredniej (Direct Reduction - DR). Opiera się ona na redukcji tlenków żelaza w stanie stałym gazem zawierajacym głównie CO i H 2. Gaz ten uzyskiwany jest w trakcie reformingu gazu ziemnego lub gazyfikacji węgla w reaktorach obrotowych lub ze złożem fluidalnym [136]. Oczekiwany 15

16 1. Proces Corex znaczny postęp technologii DR opartej na gazie ziemnym został zahamowany w latach 70-tych XX wieku przez kryzys paliwowy i związany z nim wzrost cen gazu ziemnego [50]. Redukcja bezpośrednia oparta na węglu napotkała z kolei na szereg problemów technicznych, związanych z praktyczna realizacja instalacji o dużych wydajnościach, zapewniajacych korzystne efekty ekonomiczne procesu. Produktem procesów redukcji bezpośredniej jest tzw. żelazo gąbczaste, które może być poddawane dalszej obróbce (topieniu) w wielkim piecu, piecach elektrycznych lub konwertorach tlenowych [136, 120]. Oddzielna grupę procesów produkcji surówki stanowi tzw. redukcja z topieniem (Smelting Reduction - SR), na którą składaja się: redukcja wstępna w stanie stałym (podobnie jak w metodach DR) oraz topienie żelaza gąbczastego, podczas którego doprowadza się do reaktora opcjonalnie węgiel, koks lub energię elektryczna [136]. Dalsza obróbka w celu uzyskania stali może niezależnie od pochodzenia surówki odbywać się w konwertorach tlenowych lub piecach elektrycznych. Wszystkie trzy, opisane powyżej, podstawowe grupy metod produkcji surówki zostały schematycznie przedstawione na rysunku 1.1 wraz z możliwymi powiązaniami wzajemnymi. Procesy redukcji z topieniem wykazuja korzystne cechy odnośnie możliwości integracji z innymi instalacjami przemysłu metalurgicznego, chemicznego i energetyki. Integracja ta ma na celu podniesienie doskonałości termodynamicznej całego systemu oraz obniżenie kosztów wytwarzania stali i pozostałych produktów procesu (elektryczność, ciepło, paliwa gazowe). Na rysunku 1.2 przedstawiono ogólny schemat technologii SR. Topienie żelaza gąbczastego połączone jest często ze zgazowaniem węgla. Możliwa jest także realizacja procesu SR w jednym reaktorze, gdzie ruda, węgiel i utleniacz doprowadzane są bezpośrednio do kąpieli. Z punktu widzenia sposobu dostarczania energii, wśród procesów redukcji z topieniem można wyróżnić dwie grupy [85, 120]: procesy węglowe, w których węgiel niekoksujacy jest zarówno źródłem składników redukcyjnych, jak i źródłem energii, procesy węglowo - elektryczne, w których węgiel stosuje się do redukcji, a energię elektryczna do topienia. W procesach węglowych, w drodze zgazowania węgla uzyskuje się nośnik paliwowo - redukcyjny do procesu suszenia węgla, grzania, redukcji wstępnej i topienia. Energia elektryczna w procesach węglowo - elektrycznych pochodzi bądź z własnej elektrociepłowni zasilanej gazami palnymi z procesu, bądź też dostarczana jest z sieci. Procesy redukcji z topieniem przejmuja zatem dwie podstawowe funkcje wielkiego pieca: redukcję wstępna w szybie i topienie w garze.

17 Wielki piec Redukcja z topieniem Redukcja bezpoœrednia Rys. 1.1 Metody produkcji surówki i stali [136, 123, 38] Spośród kilku odmian instalacji realizujacych ideę metod SR jedyna rozwinięta na skalę przemysłowa jest technologia COREX [37, 55, 74, 83]. Pozostałe znajduja się w fazie badań laboratoryjnych lub instalacji pilotażowych. Na rysunku 1.3 przedstawiono schemat technologiczny typowej instalacji Corex. W porównaniu z wielkim piecem zasadnicza odmienność procesu Corex polega na realizacji jego funkcji w dwóch oddzielnych reaktorach. Redukcja rudy żelaza do żelaza gąbczastego odbywa się w piecu szybowym, a wytwarzanie gazu redukcyjnego i topienie żelaza gąbczastego ma miejsce w gazyfikatorze topiacym. Surówka i żużel odprowadzane z gazyfikatora topiacego są prawie identyczne co do składu i własności z produktami procesu wielkopiecowego [83]. Gaz redukcyjny (zawierający około 95% CO i H 2 ) pobierany z gazyfikatora topiacego, po wstępnym oczyszczeniu w cyklonach goracych i schłodzeniu, jest w części wprowadzany do dolnej sekcji szybu redukcyjnego. Jego nadmiar jest transportowany do płuczki wodnej, z której część gazu jest zawracana jako gaz chłodzacy (do mieszania z gorącym gazem redukcyjnym z gazyfikatora). Pozostała ilość gazu redukcyjnego jest

18 1. Proces Corex Ruda Topniki Gaz eksportowy elazo g¹bczaste Gaz redukcyjny Wêgiel, Koks Energia elektr. Utleniacz Opcjonalnie Surówka, u el Rys. 1.2 Ogólny schemat procesów redukcji z topieniem (SR) mieszana z gazem gardzielowym z szybu redukcyjnego i jako gaz eksportowy Corex odprowadzana do odbiorców zewnętrznych poza instalacja. Unoszony razem z gazem redukcyjnym pył, zawierajacy cząstki węgla, popiołu i żelaza jest wyłapywany w goracym cyklonie i zawracany do procesu. Do transportu wyłapanego pyłu używany jest azot techniczny. Schłodzony gaz redukcyjny, doprowadzony do szybu, przepływa w przeciwpradzie do opadajacych części stałych. W szybie ruda jest redukowana do żelaza gąbczastego, (zawierajacego 92-95% Fe), które jest doprowadzane do gazyfikatora topiacego, gdzie opada grawitacyjnie do złoża fluidalnego. W złożu tym dokonuja się końcowa redukcja i stopienie żelaza gąbczastego oraz wszystkie konieczne reakcje metalurgiczne. Węgiel ładowany w górnej części gazyfikatora wchodzi w styczność z gazem o temperaturze około 1100 o C. Węgiel zostaje tam osuszony i podlega odgazowaniu. Uzyskany koks podlega gazyfikacji za pomocą tlenu technicznego, wdmuchiwanego poprzez dysze w dolnej części gazyfikatora topiacego. Dzięki wysokiej temperaturze (1600-1700 o C) powstające w procesie wyższe węglowodory podlegaja natychmiastowemu rozkładowi na CO i H 2. W ten sposób niepożadane produkty uboczne jak smoła i fenole są wyeliminowane już w samym gazyfikatorze topiacym. Proces Corex odznacza się ogólnie korzystniejszymi cechami ekologicznymi w porównaniu z tradycyjnym układem wielki piec - koksownia - spiekalnia. Należy do nich między innymi zmniejszenie emisji substancji szkodliwych do oto-

19 Wêgiel Ruda elaza/dolomit Gaz gardzielowy Skruber Gaz COREX Szyb redukcyjny Gaz redukcyjny Skruber Cyklon gor¹cy Gazyfikator topi¹cy Py³ Gaz ch³odz¹cy Osadnik Surówka u el Tlen Rys. 1.3 Schemat technologiczny procesu Corex [74] czenia, w tym także dwutlenku węgla [38, 112]. Technologia Corex jest własnościa firmy Voest Alpine Industrieanlagenbau z Linz (Austria). Według stanu na rok 2003 na świecie pracuja cztery instalacje tego typu [86, 91, 57]: w Indiach (2), Korei Południowej (1) i Republice Południowej Afryki (1). Firma VAI oferuje trzy typoszeregi instlacji Corex, różniace się wydajnościa - tablica 1.1. Oznaczenie Tablica 1.1 Dostępne typoszeregi instalacji Corex [72, 56, 112, 92, 73] Wydajność, Mg surówki rok Nakłady inwest., USD Mg surówki / rok Pierwszy rozruch C - 1000 3 4 10 5 250 1989 C - 2000 8 10 10 5 160 1995 C - 3000 12 14 10 5 147 brak realizacji W procesie Corex można wykorzystywać jako wsad technologiczny szeroki wachlarz materiałów żelazodajnych, w tym rudy kawałkowe, spiek, grudki, lub ich mieszanki. Możliwość stosowania bezpośrednio węgli energetycznych, jak również komercyjny charakter technologii Corex czynia ją w polskich warunkach atrakcyjnym substytutem wielkiego pieca dla hut małej i średniej wielkości.

20 1. Proces Corex W porównaniu z wielkim piecem o podobnej wydajności proces Corex odznacza się ponadto niższymi o ok. 20% nakładami inwestycyjnymi [116, 74] oraz zmniejszeniem o ok. 20-25% kosztów eksploatacji [56, 74]. Istotna, z punktu widzenia integracji procesowej, cecha instalacji Corex jest występowanie palnego gazu eksportowego. Jego parametry odgrywaja kluczowa rolę przy doborze struktury i parametrów pracy elektrociepłowni. Najważniejsze z nich zamieszczono w tablicy 1.2. Tablica 1.2 Charakterystyka gazu Corex [74, 72] Parametr Jednostka Wartość Skład (udziały molowe): CO % 42.5 H 2 % 18 CO 2 % 35 CH 4 % 1 N 2 % 2 H 2 O % 1.5 H 2 S ppm <70 Zawartość pyłu mg/m 3 n < 5 Wartość opałowa kj/m 3 n 7500 kj/kg 6000 Nadciśnienie kp a 100 Temperatura o C 50 Gęstość normalna kg/m 3 n 1.28 Gaz Corex można zaliczyć do grupy gazów średniokalorycznych. Jego wartość opałowa kształtuje się bowiem znacznie poniżej wartości opałowej gazu ziemnego (35000-50000 kj/kg, [122, 103]), ale powyżej wartości opałowej gazu wielkopiecowego (2300-4000 kj/kg, [122, 103, 67]). Kalorymetryczna temperatura spalania gazu Corex wynosi około 1800 o C. Dla porównania, kalorymetryczna temperatura spalania gazu ziemnego wynosi 1950 o C, a gazu wielkopiecowego 1450 o C [85, 122]. Gaz Corex można więc uznać za wartościowy nośnik energii w kontekście jego dalszego wykorzystania w elektrociepłowni.

2 Uwarunkowania pracy układu energo - technologicznego w wybranej hucie Obliczenia związane z integracja procesowa oraz optymalizacja struktury i parametrów elektrociepłowni wymagają przygotowania szeregu danych wejściowych, dotyczacych między innymi zapotrzebowania na surówkę i nośniki energii, lokalnych warunków klimatycznych i ekonomicznych, możliwości współpracy z już istniejacymi urządzeniami. Wiarygodność wyników obliczeń optymalizacyjnych zależy w dużej mierze od poprawności przyjętych założeń, przejawiajacej się wysokim prawdopodobieństwem ich występowania w rzeczywistości. W celu zapewniania jak najwyższej wiarygodności i reprezentatywności wyników obliczeń postanowiono rozpatrywać pracę zintegrowanego układu, obejmującego proces Corex i elektrociepłownię w warunkach jednej z polskich hut stali. O wyborze konkretnego zakładu przesadziły następujace argumenty: 1. Średnie zapotrzebowanie na surówkę w analizowanej hucie wynosi około 200 000 Mg surówki na rok (2003). Ze względu na zdecydowanie większe możliwości przerobowe huty może ulegać ono zwiększeniu w okresach poprawy koniunktury na rynku stali. 2. Produkcja surówki na terenie huty została wygaszona ze względu na naturalne zużycie wielkiego pieca, w stosunku do którego nie przewiduje się inwestycji odtwórczych. Huta sprowadza surówkę w postaci stałej od dostawców zewnętrznych. Wznowienie produkcji surówki na terenie huty spowodowałoby znaczne oszczędności elektryczności zużywanej do topienia wsadu w piecach elektrycznych. 21

22 2. Uwarunkowania pracy układu energo - technologicznego w... 3. Zakład jest zlokalizowany w pobliżu średniej wielkości miasta, w którym istnieje rozbudowana sieć ciepłownicza. Produkcja ciepła odbywa się w kilku przestarzałych ciepłowniach, wyposażonych w kotły wodne opalane węglem oraz w elektrociepłowni zaspokajajacej także potrzeby energetyczne huty. Udział strumienia ciepła wytwarzanego w skojarzeniu z produkcja elektryczności w maksymalnym strumieniu ciepła dostarczanego do miasta wynosi w chwili obecnej około 17 %. Czynniki powyższe w połączeniu z występowaniem zapotrzebowania na ciepło grzewcze i parę technologiczna w samej hucie stwarzaja dogodne warunki do budowy zintegrowanego układu energo - metalurgicznego w oparciu o technologię Corex. Nie jest przy tym możliwe wykorzystanie elementów istniejacej elektrociepłowni ze względu na znaczne ich zużycie. 2.1 Dobór wielkości instalacji Corex Głównym założeniem do dalszych analiz jest wybór typoszeregu instalacji Corex. W oparciu o orientacyjne zapotrzebowanie na surówkę oraz dane z tablicy 1.1 wybrano najmniejsza z dostępnych - instalację C - 1000. W tablicy 2.1 podano charakterystyczne dla niej wielkości produkcji i zużycia materiałów, przyjmowane jako dane - stałe do dalszych obliczeń. Niezmienność strumienia gazu eksportowego, dostępnego dla odbiorców zewnętrznych wynika z zastosowania zbiornika akumulacyjnego, którego zadaniem jest wyrównywanie ewentualnych fluktuacji dostaw. Podobne rozwiązania w zakresie akumulacji gazów ze zgazowania węgla analizowane były w [101]. Tablica 2.1 Parametry instalacji Corex C-1000 [85, 73] Produkcja surówki, M g/h 45 Zużycie materiałów wsadowych Ruda żelaza, M g/h 66.6 Węgiel pierwiastkowy, M g/h 25.6 Zużycie gazów technicznych Tlen, Mg/h 35.4 Azot, Mg/h 3.9 Zużycie elektryczności, M W 2.9 Produkcja gazu eksportowego, kg/s 25

2.2. Zapotrzebowanie na ciepło grzewcze 23 2.2 Zapotrzebowanie na ciepło grzewcze Rozpatrywana huta położona jest w trzeciej strefie klimatycznej, dla której minimalna obliczeniowa temperatura otoczenia wynosi -20 o C [122]. Na rysunku 2.1 zamieszczono wykres uporzadkowany temperatury otoczenia, właściwy dla rozpatrywanej lokalizacji [122]. Został on sporzadzony na podstawie wieloletnich obserwacji meteorologicznych. -30-20 Temperatura otoczenia, o C -10 0 10 20 12 30 5600 40 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 Czas, h Rys. 2.1 Wykres uporządkowany temperatury otoczenia Temperaturę poczatku sezonu grzewczego przyjęto na poziomie 12 o C (rysunek 2.1) co determinuje długość sezonu równą około 5600 godzin. Sieć ciepłownicza łączaca odbiorców zlokalizowanych na terenie huty oraz w pobliskim mieście podlega regulacji jakościowej. Maksymalne parametry wody zasilajacej i powrotnej na osłonie bilansowej elektrociepłowni wynosza odpowiednio 130 i 70 o C. Maksymalne zapotrzebowanie na ciepło (dla minimalnej obliczeniowej temperatury otoczenia -20 o C) wynosi: dla miasta około 40 MW, dla huty około 10 MW. 2.3 Zapotrzebowanie na parę technologiczna W hucie występuje zapotrzebowanie na parę technologiczn a o parametrach: 0.6 MPa i 270 o C. W wyniku współpracy z przedstawicielami huty zebrano miesięczne

24 2. Uwarunkowania pracy układu energo - technologicznego w... odczyty liczników zużycia pary technologicznej (wyrażajace zużycie w GJ) dla wybranego roku pracy. Wybrany zestaw danych miesięcznych został uznany za reprezentatywny dla kilku ostatnich lat pracy huty. Na tej podstawie obliczono średniomiesięczne zapotrzebowania na strumień entalpii pary technologicznej, które zestawiono następnie ze średniomiesięcznymi wartościami temperatury otoczenia. Porównanie przebiegów tych wielkości widoczne jest na rysunku 2.2. Występuje wyraźna zależność zapotrzebowania na strumień entalpii pary technologicznej od temperatury otoczenia w miesiacach 1-4 oraz 10-12. W miesiącach 5-9 zależność ta jest słaba. Spostrzeżenia powyższe prowadza do następuja- cego założenia, wykorzystywanego w dalszych analizach: w sezonie grzewczym strumień entalpii pary technologicznej określa się jako funkcję temperatury otoczenia, poza sezonem przyjmuje się go jako wartość stałą. Na rysunku 2.3 przedstawiono postać przyjętej funkcji liniowej. Uzyskano ją stosujac aproksymację danych z rysunku 2.2 według metody najmniejszych kwadratów. 35 30 25 Strumieñ entalpii pary technologicznej Temperatura otoczenia MW, o C 20 15 10 5 0-5 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Czas, miesi¹ce Rys. 2.2 Zapotrzebowanie na parę technologiczną; stan odniesienia: entalpia równa zeru dla wody ciekłej w punkcie potrójnym 2.4 Otoczenie ekonomiczne W celu wykonania analizy ekonomicznej związanej z eksploatacj a instalacji Corex oraz elektrociepłowni konieczne jest przyjęcie cen paliw, zbywanych produktów energetycznych oraz surowców i produktów nieenergetycznych. Ceny te, ze

2.4. Otoczenie ekonomiczne 25 Strumieñ entalpii pary technologicznej, MW 50 45 40 35 30 25 20 15 10 5 Wartoœci wynikaj¹ce z odczytów licznikowych w sezonie grzewczym Wartoœci wynikaj¹ce z odczytów licznikowych poza sezonem grzewczym Funkcja - dana do obliczeñ elektrociep³owni 0-25 -20-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Temperatura otoczenia, o C Rys. 2.3 Aproksymacja danych o zapotrzebowaniu na parę technologiczną; stan odniesienia: entalpia równa zeru dla wody ciekłej w punkcie potrójnym względu na strategiczny charakter dóbr, których dotycza, podlegaja często znacznym wahaniom w stosunkowo krótkich odstępach czasu (rzędu kilku miesięcy). Podczas projektowania i optymalizacji dużych instalacji przemysłowych przyjmuje się zazwyczaj kilkunastoletni horyzont ich oceny. Konieczne jest zatem prognozowanie przyszłego poziomu cen oraz wartości parametrów makroekonomicznych (np. inflacji) składajacych się na otoczenie ekonomiczne przedsięwzięcia. Prognozowanie przyszłego otoczenia ekonomicznego dla analizowanego projektu wiąże się zawsze z pewnym ryzykiem. Wynika ono głównie z możliwości zmian w strukturach wzajemnie powiązanych gospodarek narodowych. Zmiany te mogą mieć charakter lokalny (np. pojawienie się nowego konkurenta na lokalnym rynku ciepła, wymuszajace obniżkę cen) lub globalny (np. zwiększone zapotrzebowanie na węgiel w Azji powodujace wzrost jego cen w Europie). Ze względu na często przypadkowy charakter tych zmian ich dokładna prognoza nie jest możliwa. Możliwe jest natomiast zredukowanie stopnia niepewności danych, przez określenie ich wzajemnej zależności, na podstawie obserwacji przebiegu wartości historycznych. Szczegółowy opis przygotowania danych do analizy ekonomicznej podano w rozdziale 5.4, poniżej skupiono się natomiast na przedstawieniu historycznych tendencji zmian wybranych parametrów. Wszystkie prezentowane wartości monetarne wyrażone są w dolarach amerykańskich (USD) odpowiadajacych momentowi czasowemu ich cytowania (ang. current dollars).

26 2. Uwarunkowania pracy układu energo - technologicznego w... 2.4.1 Ceny paliw i surowców Do paliw i surowców nieenergetycznych zużywanych w instalacji Corex zalicza się między innymi węgiel energetyczny oraz rudę żelaza. Ze względu na globalna wymienialność ich ceny na rynku polskim sa w dużej mierze uwarunkowane cenami na rynkach światowych. Historyczny przebieg cen węgla podano na rysunku 2.4. Został on określony w oparciu o indeks ICR (International Coal Report, Financial Times) [69, 70], przy obliczaniu którego uwzględniono następujace założenia: wskaźniki ICR (ceny) są przeliczone na węgiel o wartości opałowej 6000 kcal/kg (25120 kj/kg) w stanie roboczym, do obliczeń przyjmuje się tylko węgiel o zawartości siarki poniżej 1%, wskaźnik ICR określany jest dla węgla dostarczanego do krajów Europy Północnej i Zachodniej; obliczany jest jako cena CIF (ang. Cost, Insurance, Freight), która uwzględnia koszty wydobycia, transportu do portu morskiego, załadunku na statek, frachtu morskiego oraz ubezpieczenia ładunku, ceny są ważone wielkościa poszczególnych zakupów dokonanych w analizowanym okresie odzwierciedlajac w ten sposób stopień dywersyfikacji dostaw. Określenie średnich cen rud żelaza wymaga, podobnie jak w przypadku cen węgla, zdefiniowania umownych warunków przeliczeniowych. Jednym z kluczowych parametrów rudy jest zawartość żelaza pierwiastkowego. Ceny wyrażane są zatem w jednostkach monetarnych oferowanych za ilość czystego żelaza pierwiastkowego (np. USD/Mg Fe ) [23] lub za ilość rudy o ściśle określonej jego zawartości (np. USD/dmtu, dmtu - dry metric ton unit) [24, 18, 15]. Konieczne jest także podanie sortymentu rudy (pelety, ruda kawałkowa, ruda gruba), którego rodzaj ma duży wpływ na końcowa cenę. Dla potrzeb niniejszego opracowania wykonano obliczenia cen trzech rud żelaza pochodzacych z Ameryki Południowej i Północnej. Dane źródłowe w postaci cen FOB (ang. Free On Board - cena uwzględnia dostarczenie towaru na pokład statku), obowiazuj acych w portach eksporterów pozyskano z [23, 24, 18, 15, 44]. Koszty frachtów morskich oszacowano na podstawie danych zamieszczonych w [18]. Do obliczeń przyjęto ponadto następujace założenia: obliczana cena jest ceną CIF dla Europy Północnej i Zachodniej, zawartość żelaza pierwiastkowego w rudzie wynosi 65%, co jest typową wartościa dla rud zużywanych w dotychczas eksploatowanych instalacjach Corex [74].