Преимущества охлаждения коксового газа с использованием спиральных теплообменников Нексан

Компания Нексан предлагает своим клиентам научную статью к.э.н. Баженова О. В., в которой рассмотрены преимущества охлаждения коксового газа посредством использования спиральных теплообменных конечных газовых холодильников (КГХ), а также на основе анализа ряда относительных и абсолютных показателей проведена оценка эффективности использования спиральных конечных газовых холодильников (КГХ) на примере инновационного теплообменного оборудования Green Spiral™ (5-секционный колонный аппарат) от компании Нексан.

В этой статье рассмотрены и охарактеризованы основные элементы авторского исследования преимуществ использования спирального конечного газового холодильника для целей охлаждения коксового газа, дополненные иллюстративным материалом и расчетами, обеспечивающими соответствующую аргументационную базу.

В результате проведенного исследования сделано общее заключение о технико-технологических преимуществах и экономической обоснованности использования спиральных конечных газовых холодильников на коксохимических производствах как в случае реализации подобной схемы закрытия цикла путем нового строительства, так и путем проведения реконструкции существующих мощностей.

Положения и выводы представленной работы могут быть применены руководством металлургических холдингов для целей теоретического обоснования корпоративных программ развития, а также органами региональной исполнительной власти для выявления направлений повышения экологической безопасности региона и повышения его инвестиционной привлекательности.

Коксохимическое производство как подотрасль черной металлургии призвано обеспечить доменные цеха, работающие на ванадиевом и передельном сырье, металлургическим коксом (наибольший удельный вес в номенклатуре готовой продукции). Коксохимическое производство встроено в технологическую цепочку чугун – кокс – коксующийся уголь, поэтому на деятельность компаний оказывают влияние изменения, происходящие как на рынке чугуна, так и на рынке коксующегося угля [1]. Продукцией коксохимической промышленности являются коксовый газ и прочие химические продукты.

Коксовый газ является вторым после кокса продуктом, получаемым в результате процесса высокотемпературного коксования угля. Высокая температура сгорания газа позволяет применять его как высококачественное топливо.

Конечное охлаждение коксового газа предназначено для снижения его температуры после сульфатного отделения до температуры, благоприятной для улавливания бензольных углеводородов. Основной целью закрытия цикла является полное исключение выбросов вредных веществ на градирнях конечного охлаждения, а также стабилизация работы бензольного отделения. Это возможно только при отсутствии непосредственного контакта коксового газа с оборотной водой [2].

В настоящее время наиболее распространенными схемами конечного охлаждения коксового газа с закрытым циклом циркулирующей воды на коксохимическом производстве являются:

В этой связи целью данной работы является рассмотрение основных технических и технологических преимуществ использования спиральных конечных газовых холодильников для охлаждения коксового газа и оценка эффективности инвестиций, направленных на закрытие цикла при охлаждении коксового газа посредством спирального КГХ.

Для достижения поставленной цели необходимо последовательное решение следующих задач:

• рассмотрение порядка реализации технологической схемы закрытия цикла охлаждения коксового газа с применением спирального конечного газового холодильника;
• сравнение основных схем закрытия цикла охлаждения коксового газа на основе оценки наиболее репрезентативных эксплуатационных характеристик;
• оценка эффективности инвестиций, направленных на закрытие цикла при охлаждении коксового газа посредством спирального конечного газового холодильника.

Реализация подобной схемы экономически целесообразна как при новом строительстве, так и при реконструкции существующих производств. Эта схема позволяет отказаться от габаритного теплообменного и вспомогательного оборудования для охлаждения оборотной воды цикла конечного охлаждения коксового газа и, как следствие, значительно снизить капитальные затраты на реализацию проекта.

Рассмотрим основные узлы, входящие в принципиальную схему, более детально.

Спиральная колонна. В КГХ спиральной конструкции вода движется по закрытым каналам от периферии к центру колонны, а газ – перпендикулярно, сверху вниз, и противотоком по другим каналам. Эффективность охлаждения коксового газа достигается за счет высокого коэффициента теплопередачи, которым обладает спиральный аппарат, а также за счет его конструкции. Применение спиральных КГХ позволяет не только обеспечить эффективное охлаждение коксового газа до необходимых температур, но также исключить большое количество выбросов вредных веществ в атмосферу – сероводорода, бензола, аммиака, цианистого водорода, а эффект самоочистки значительно увеличивает межсервисный интервал обслуживания спиральной колонны [4, 5].

Система охлаждения оборотной воды. Система охлаждения оборотной воды необходима независимо от принципиальной схемы закрытия цикла. В проекте закрытия цикла с использованием спирального КГХ для обеспечения требуемой температуры оборотной воды в большинстве случаев достаточно применения вентиляторных градирен [6].

Локальная система водоподготовки. Для обеспечения эффективной работы колонного аппарата и соблюдения требований к качеству воды необходимо применение локальной системы водоподготовки как оборотной, так и подпиточной воды. Совместно со спиральными КГХ применяются системы водоподготовки, состоящие из фильтров и комплексов реагентной обработки воды.

Основные преимущества использования схемы закрытия цикла с использованием спиральных КГХ по сравнению со схемой с тарельчатой колонной и теплообменными аппаратами представлены в табл. 1.

Как видно из табл. 1, исходя из оценки большинства показателей, представленных в качестве базы для сравнения, схема закрытия цикла с использованием спирального КГХ является преимущественной из до- ступных в настоящее время технологических схем закрытия цикла конечного охлаждения коксового газа и позволяет:

• улучшить экологическую обстановку на территории коксохимического производства и близлежащих территориях;
• обеспечить более глубокую очистку коксового газа от смолы и нафталина;
• повысить экономическую эффективность деятельности производства за счет экономии на капитальных затратах (экономия на стоимости оборудования, а также затратах на установку) и эксплуатационных расходах (экономия на штрафных санкциях за загрязнение окружающей среды, стабилизация работы бензольного отделения, увеличение срока эксплуатации оборудования, экономия на энергоресурсах и ремонтах) [8 – 10].

Обосновав приоритетное использование спиральных КГХ для целей закрытия цикла, далее проанализируем эффективность их использования.

Оценивать эффективность использования спиральных КГХ будем посредством сопоставления размера капитальных вложений в оборудование и монтаж с величиной положительного эффекта от его внедрения [11, 12].

В качестве спирального конечного газового холодильника, используемого для закрытия цикла, в расчетах будем использовать 5-секционную спиральную колонну компании Нексан.

Рассмотрим два варианта установки оборудования: новое строительство и реконструкция.

В отличие от реконструкции, при новом строительстве предполагаются большие затраты на осуществление строительно-монтажных работ и проектирование, что обосновывается необходимостью постройки новых сетей, фундаментов и прочих вспомогательных объектов. Капитальные вложения, необходимые для закрытия цикла с помощью спирального КГХ Nexson Group при осуществлении нового строительства и реконструкции, представлены в табл. 2.

Суммарный (расчетный) годовой экономический эффект от замены КГХ старого образца на спиральный, полученный вследствие экономии на штрафных санкций за загрязнение окружающей среды, экономии на ремонтных работах бензольного отделения и прочих эксплуатационных работах составит ориентировочно 21 000 000 руб. или 381 471 евро в год (расшифровка статей экономии представлена в табл. 3).

При этом положительный эффект планируется получать в течение всего нормативного срока использования спирального КГХ (не менее 25 лет).

Для оценки эффективности инвестиций будем использовать следующие показатели:

• период окупаемости (Ток);
• рентабельность инвестиций (IR);
• чистый приведенный эффект (NPV);
• средневзвешенный срок жизненного цикла инвестиционного проекта (дюрация) (D) [13, 14].

При этом для ряда показателей оценки эффективности инвестиционных вложений существуют рекомендованные значения. Так нормативный срок окупаемости инвестиционных вложений в теплообменное оборудование, с учетом специфики производственной деятельности металлургических компаний, составляет 7 лет, рекомендуемый индекс рентабельности инвестиций – 2,50 [15].

Значения показателей оценки эффективности использования спирального КГХ представлены в табл. 4.

Таким образом данные, представленные в табл. 4, можно интерпретировать следующим образом.

● Период окупаемости инвестиционных затрат на закрытие цикла с использованием спирального КГХ Nexson Group в случае реконструкции составляет 8,8 лет, в случае нового капитального строительства – 11,5 лет, что несколько выше нормативного срока окупаемости инвестиций в черной металлургии. Подобная ситуация вызвана тем, что при определении норматива в расчет принимались объекты, способные самостоятельно генерировать доход, в то время как спиральный КГХ является лишь вспомогательным оборудованием, используемым при охлаждении коксового газа. Тем не менее, полученное значение срока окупаемости может быть охарактеризовано как положительное.

● Значение показателя рентабельности инвестиций, направленных на закрытие цикла с использованием спирального КГХ Nexson Group, в случае реконструкции выше нормативного значения на 0,3, что свидетельствует о превышении эффективности подобных инвестиций по сравнению с общеотраслевыми данными. Незначительное отрицательное отклонение рентабельности инвестиций в случае рассмотрения нового строительства как способа закрытия цикла с использованием спирального КГХ Nexson Group также свидетельствует о достаточно высокой эффективности реализации подобного инвестиционного проекта.

● Значения чистого приведенного эффекта от инвестиционных вложений как в случае реконструкции, так и в случае нового строительства свидетельствуют о существенном положительном финансовом эффекте проекта (6 176 775 и 5 136 775 евро соответственно) в течение срока использования КГХ производства Nexson Group.

● Средневзвешенный срок поступления доходов от инвестиционного проекта (его эффективное время действия) превышает срок окупаемости и составляет 13 лет, что может быть охарактеризовано положительным образом и свидетельствует о наличии положительного финансового эффекта от закрытия цикла с применением КГХ компании Нексан.

Выводы. Рассмотрены технико-технологические преимущества охлаждения коксового газа посредством использования спиральных конечных газовых холодильников, а также проведена оценка эффективности использования спиральных КГХ на примере оборудования компании Нексан.

Рассмотрен порядок реализации технологической схемы закрытия цикла охлаждения коксового газа с применением спирального КГХ.

Сформулированы технико-технологические преимущества закрытия цикла с применением спиральных конечных газовых холодильников по сравнению с использованием тарельчатой колонны и теплообменных аппаратов. Выявлено, что по результатам оценки большинства эксплуатационных характеристик, представленных в качестве базы для сравнения, закрытие цикла с использованием спирального КГХ является преимущественным из доступных в настоящее время технологических схем закрытия цикла конечного охлаждения коксового газа.

Проведена оценка эффективности инвестиций, направленных на закрытие цикла при охлаждении коксового газа посредством спирального КГХ компании Нексан. Анализ показателей эффективности продемонстрировал наличие как абсолютного положительного эффекта, так и относительного (с учетом масштаба произведенных инвестиций) от внедрения спирального КГХ компании Нексан (в случае нового строительства и проведения реконструкции существующего производства).

В статье использованы материалы публикации «Экономическая эффективность металлургического производства» в «Известиях высших учебных заведений. Черная металлургия» 2016. Том 59. № 3. С. 209 – 215. © 2016. Баженов О.В.