ВИСОКОТЕМПЕРАТУРНІ ТЕПЛОТЕХНОЛОГІЧНІ ПРОЦЕСИ
Та установки (втпу) вступ
Історія людства по суті починалась з використання полум’я. Сліди його використання знайдені більш як 400 тис. років тому при розкопках стоянок синантропа. Заволодівши вогнем прадавня людина поставила собі на службу одну з могутніх природних стихій. Згадаємо легендах про титана Прометея, який викрав вогонь у богів та передав його людям. В давніх країнах Сходу за 5 – 2 тис. років починається в значних масштабах використання вогнетехнічних процесів при випалі глиняних виробів, виплавці міді, олова, бронзи та пізніше заліза та скла.
1 Загальні питання побудови дисципліни втпу
Основні визначення
Термін ВТПУ “вогнетехнічна установка” більш широкий ніж “Промислова піч” і включає високотемпературні установки, які використовують в якості основного джерела енергії органічне паливо чи хімічно зв’язану енергію технологічного матеріалу.
Приклади: Паливні печі, кисневі конвертори, відбивні мідеплавильні печі, газоелектричні скловарені печі, багатоподові печі для випалу залізного колчедану, циклонні печі для випалу сірки, тощо.
Мета курсу – визначити головні та найбільш загальні питання побудови та експлуатації ВТПУ в комплексі як сукупність окремих частин та елементів з урахувань вимог та обмежень.
Студент повинен вміти: розробити на основі теплотехнічних розрахунків конструкцію елементів ВТПУ з урахуванням сучасних вимог, скомпонувати в єдину установку, раціонально розмістити в приміщенні цеху та забезпечити реалізацію проекту в процесі будівництва, провести пусконаладочні роботи та здійснювати надійну експлуатацію з високими техніко-економічними показниками.
Задачі дисципліни: - ознайомити з принципами побудови процесів, організацією та основними етапами проектування та сучасними вимогами до ВТПУ;
- визначити властивості конструктивних та будівельних матеріалів та вміти вибирати найбільш ефективні з них для конкретних умов;
- навчитись розробляти конструкцію огороджень ВТПУ в стаціонарному та нестаціонарному тепловому режимі;
- визначити основні задачі, прийоми та правила пуску, наладки та експлуатації ВТПУ.
Виробничі ВТПУ поділяються (в залежності від продукції, що виробляється) на:
енергетичні (газогенератори, котли, тощо);
технологічні (високотемпературні хімічні реактори, промислові печі).
Вимоги та принципи, що закладені в основу ВТПУ:
- зріст питомої продуктивності за рахунок інтенсифікації тепло- та масообміну;
- зниження питомих капітальних витрат та матеріалів;
- підвищення надійності та терміну міжремонтної робочої кампанії;
- досягнення високого рівня механізації та автоматизації процесів, економії людської праці;
- повне та комплексне використання технологічних матеріалів, паливно-енергетичних ресурсів в сполученні з захистом навколишнього середовища, створення безвідходних технологій.
1.2. Загальна структурна схема втпу та її елементи
Сучасна ВТПУ - це крупний високомеханізований і автоматизований об’єкт великої одиничної пpoизвoдитeльнocти. Вона представляє собою сукупність елементів різного призначення і конструкції, функціонально об’єднаних в єдине ціле (рис.1.1).
Кожний з елементів установки, в свою чергу, є сукупністю окремих конструктивних частин вузлів і деталей. Елементи установки в єдину конструкцію з’єднані за технологічним матеріалом і продуктам — транспортними пристроями; за газовим, рідким, а часто і твердим порошковим матеріалом — трубопровідними комунікаціями, за димовими газами —газоходами. Датчики та вторинні прибори системи КІП забезпечують оперативний контроль технологічного і теплового режимів, управління установкою виконується за допомогою автоматичних регуляторів.
Головним елементом установки є робоча камера, основний принцип дії, конструктивні особливості і параметри роботи якої визначають теплову і структурну схеми установки і всіх її елементів, суттєво впливають на технологічні, виробничі і техніко - економічні показники її роботи. Дійсно, вибір, наприклад, ванної камерної чи шахтної робочої камери для здійснення плавильного технологічного процесу предвизначає отримання дійсно різних рішень, які відрізняються структурними схемами ВТУ та всіма показниками її роботи.
Робоча камера ВТУ включає ряд конструктивних частин і вузлів: фундамент, каркас, огородження технологічного матеріалу, внутрішні транспортні пристрої, вузли видачі технологічних продуктів, трубопровідні комунікації і газоходи, датчики КИП и А.
Для отримання необхідних параметрів компонентів горіння (тиск та вміст кисню в окислювачі, тиск горючого газу, тиск та температура мазуту, дисперсність та вологість твердого палива і параметрів технологічних матеріалів (концентрація головного компонента, дисперсний склад, вологість та інші показники якості) використовуються різноманітні пристрої їх попередньої підготовки шляхом стиску чи редуцюювання, зміщення, розлому чи гранулювання, збагачення, нагріву, сушки, спікання і т.п.
Регенеративні елементи передбачені для регенерації части теплоти відхідних газів та інших теплових відходів шляхом підігріву компонентів горіння чи проведення ендотермічної реакції конверсії газоподібного вуглеводного палива (хімічна регенерація). Регенеративні елементи представляють собою теплообмінники, які за режимом роботи діляться на рекуператори і регенератори. Перші працюють безперервно, причому теплота газів передається теплоносію через металеву чи керамічну стінку; другі - працюють циклічно: спочатку теплота газів акумулюється в керамічній чи металевій насадці, а потім нагріває теплоносій. Регенерація теплоти дозволяє суттєво знизити витрату палива та забезпечити досягнення високих температур в робочій камері.
Елементи зовнішнього технологічного чи енергетичного використання матеріальних і енергетичних відходів даної установки передбачені для виробітки додаткової технологічної чи енергетичної продукції. Прикладами технологічного використання відходів служить їх споживання в суміжному технологічному процесі, наприклад, сушка і нагрів сировини відхідними газами установки, забезпечення ендотермічних перетворень, використання матеріального відходу в якості вихідної сировини (розплавлений шлак переробляється в будматеріали). Енергетична продукція (пар, гаряча вода, механічна чи електрична енергія) виробляється в системі випаровувального охолодження конструктивних частин установки, в котлах – утилізаторах, які працюють на теплоті відхідних газів, технологічних відходів (металургійних шлаків) чи технологічної продукції (розпаленого коксу), а також в газових утилізаційних турбінах, які використовують енергію збиточного тиску газу для виробки електроенергії.
Елементи захисту навколишнього середовища передбачені для уловлення твердих і рідких дисперсних матеріалів і шкідливих газових компонентів із газових викидів, обезжирювання відходів виробництва в газоподібному (CO, NOх, NH3, H2S), пароподібному (більша кількість органічних з’єднань) і рідкому (масла, кислоти, щелочи) станах, а також зменшення теплового забруднення.
Для доставки до ВТУ технологічних матеріалів і евакуації технологічних продуктів і відходів використовують різноманітні зовнішні транспортні пристрої: залізодорожний і автотранспорт, транспортери і підйомники - ленточні, багатоковшові, скіпові і рольганги, кранове хазяйство цеха, трубопроводи. По трубопроводам транспортуються до установки різні гази (горючі, кисень, повітря, захисні інертні, відновлюючи, водяна пара), рідина (мазут, масла, вода), дисперсні тверді матеріали (пиловидні технологічні матеріали та вугілля, зола та шлаки, технологічні продукти). Крани (мостові і козлові, кран-балки) використовуються для підйому та переміщення в цеху різних вантажів.
При завантаженні технологічних матеріалів і для їх переміщення всередині робочої камери стремяться максимально використати силу тяжіння, що широко реалізується, наприклад, в шахтних, обертаючихся і багатоподових обпалювальних, відображаючих і інших ванних печах. Крім того, всередині робочої камери використовують механічне переміщення технологічних матеріалів за допомогою толкателей (методичні печі), вагонеток (обпала, вогнеупорні вироби), ланцюжні, роликові, конве’єрні і інші транспортери, а також газової подушки (при термообробці стальних виробів, обпаленні листового стекла).
Нагнітальні засоби забезпечують транспортировку газоподібних і рідких робочих тіл і технологічних матеріалів, які використовуються в установці. Їх можна розділити на вентилятори, повітродувки, компресори для подачі окислювача та інших газів в установку, димососи для відсмоктування і евакуації газоподібних продуктів технологічного процесу, насоси для перекачки робочої рідини.