Лекция 8. Энергосбережение в теплотехнологиях

Лекция 8. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЯХ

Промышленные печи

Вопросы энергосбережения чрезвычайно актуальны для нагревательных и термических печей металлургических и машиностроительных предприятий и предприятий других отраслей, где наряду с современными механизированными печами существует большое количество физически и морально устаревших печей, не подвергавшихся реконструкции и работающих с очень высокими энергозатратами.

Основные конструктивные решения, направленные на экономию энергоресурсов, при новом строительстве и реконструкции нагревательных и термических печей следующие.

Оптимальный выбор типа печи, интенсивности ее работы (напряжения пода) и системы отопления

Тип печи оказывает решающее влияние на энергопотребление печи. Например, печи с роликовым подом являются наиболее универсальными по технологии и обрабатываемым изделиям, хорошо встраиваются в непрерывные линии производства, однако необходимость охлаждения роликов в высокотемпературных печах приводит к повышенному энергопотреблению. Поэтому для высокотемпературного нагрева печи с роликовым подом применяются в исключительных случаях.

Напряжение пода характеризует интенсивность работы печи и определяет использование тепла топлива в рабочем пространстве печи. Естественно стремиться к высокой интенсивности работы печи, т.к. это позволяет увеличить ее производительность или уменьшить размеры печи при той же производительности. С точки зрения энергопотребления принципиально важно, за счет чего происходит повышение интенсивности работы печи. Если это происходит за счет увеличения температуры в печи и температуры уходящих из печи продуктов сгорания, то следствием является ухудшение использования тепла в рабочем пространстве печи и повышение энергозатрат. В то же время повышение интенсивности работы за счет интенсификации теплообменных процессов позволяет снизить удельные энергозатраты при прочих равных условиях. Поэтому для энергосбережения следует выбирать средства и системы, интенсифицирующие теплообмен в рабочем пространстве печи. К таким средствам можно отнести импульсную, факельно-сводовую и струйно-факельную системы отопления, струйную обдувку, организованную циркуляцию и пр.

Расположение горелочных устройств в проходных печах существенно влияет на возможность управлять режимом работы печи. Распределенная по длине печи подача топлива при сводовой или боковой системе отопления позволяет гибко регулировать тепловой и температурный режим печи в условиях широкого изменения сортамента нагреваемых изделий и производительности

печи. Порядное регулирование подачи тепла позволяет установить оптимальные тепловые и температурные режимы нагрева при любом изменении условий работы печи (различные марки сталей и размеры заготовок, различная производительность, горячий и холодный посад и т.д.). В частности, в методических печах при уменьшении производительности можно выключать ряды горелок в конце печи со стороны посадки заготовок и тем самым удлинять методическую зону, добиваясь наилучшего использования тепла продуктов сгорания в рабочем пространстве печи.

Глубокое использование теплоты уходящих продуктов сгорания

В настоящее время на крупных печах применяются в основном металлические трубчатые петлевые рекуператоры. Эти рекуператоры рассчитаны на температуру продуктов сгорания до 1000 °С и подогрев воздуха до 450 °С. Стальпроект разработал компактный рекуператор из труб малого диаметра, обеспечивающий интенсификацию теплообмена в рекуператоре и подогрев воздуха до 500-550 °С. При более высокой температуре продуктов сгорания перед рекуператором возможно применение радиационных рекуператоров и рекуператоров типа "труба в трубе".

На небольших печах используются радиационные щелевые, радиационно- конвек-тивные, струйные панельные и кожухотрубные рекуператоры Тегатопроекта (см. раздел 14.1.2). Эти рекуператоры, их конструктивные размеры, технические характеристики, особенности применения подробно описаны в [14.11].

Применяются специальные конструкции рекуператоров, разработанные применительно к конкретным печам: струйные рекуператоры УПИ и ВНИИМТ для секционных печей, рекуперативно-эжекторное устройство Стальпроекта и Промгаза для колпаковых печей.

Наиболее глубокое использование тепла высокотемпературных продуктов сгорания, уходящих из рабочего пространства печи, возможно в регенераторах. Однако используемые ранее регенераторы, представляющие собой кирпичную насадку, имеют существенные недостатки, отмеченные в разделе 14.1.2. В настоящее время разработана регенеративная система отопления, в которой используются регенераторы с керамической шариковой насадкой. При этой системе горелки, снабженные индивидуальными регенераторами, объединяют в блоки (не менее двух). Через один регенератор или их группу подают подогреваемый воздух (газ), а через другой или группу

— отводят продукты сгорания. Применение шариковой насадки дает возможность подогревать воздух всего на 100— 150 градусов ниже температуры уходящих продуктов сгорания, т.е. в методических нагревательных печах можно сжигать топливо с воздухом, подогретым до 1000— 1100 °С. Коэффициент использования тепла при этом достигает значений 70-80 %, а экономия топлива может составлять 30-50 % и более. Система особенно эффективна при отоплении печи газом с низкой теплотой сгорания.

Из регенератора продукты сгорания выходят с температурой порядка 200 °С, что облегчает их транспортирование и делает нецелесообразным дальнейшую утилизацию тепла. Керамическая шариковая насадка служит хорошим фильтром для очистки продуктов сгорания от пыли, частиц окалины и т.д. Насадку легко заменить без остановки печи, а засоренная насадка промывается водой и может использоваться повторно. Перекидка регенераторов осуществляется специальными клапанами, обеспечивающими срабатывание за несколько секунд и рабочий ресурс не менее 1 млн. перекидок.

Регенеративная система отопления может быть успешно применена для плавильных и нагревательных печей. При этом регенеративные горелки встраиваются в кладку или располагаются с внешней стороны печи, они могут быть установлены как в отдельных зонах, так и по всей печи. Пример установки регенеративных горелок на нагревательной толкательной печи показан на рис. 1.

Внастоящее время по проекту ОАО "ВНИИМТ" и НПФ "Горелочный центр" на Верхнесалдинском металлургическом производственном объединении (ВСМПО) построена и пущена в эксплуатацию первая в России промышленная нагревательная печь с регенеративной системой отопления.

Печь садочного типа, предназначенная для нагрева перед деформацией на прессе титановых слитков и прутков из сплавов ВТ6 и ВТ10, имеет ширину 3,2 м, длину 5,1 м и высоту 1,94 м (площадь пода 16,6 м ). Максимальная масса слитка 5 т (диаметр слитков может быть от 180 до 950 мм, длина до 4 м), максимальная масса садки 7 т.

Втрех зонах теплового регулирования на боковых стенках печи установлены соответственно 2,4,2 горелки с индивидуальными компактными засыпными регенеративными насадками, состоящими из корундовых шаров диаметром 20 мм. Объем одной насадки 0,232 м . Для реверсирования потоков используется перекидной клапан специальной конструкции. Цикл переключения задается либо таймером (0,5-1,0 мин.),

Рис. 1. Поперечный разрез методической толкательной печи с регенеративными горелками: / — регенеративная горелка; 2 — подвод газа; 3 — подвод воздуха и отвод продуктов сгорания либо выбирается, например, по температуре продуктов сгорания, уходящих из регенеративной насадки.

Максимальный расход природного газа на печь 320 м /ч; давление газа перед

печью 30 кПа; максимальный расход воздуха 6000 м /ч; давление воздуха перед насадкой 8 кПа; максимальный объем продуктов сгорания 6320 м /ч.

Система автоматизированного управления, базирующаяся на микропроцессорной технике фирмы "Ален Бредли", позволяет обеспечивать заданный режим нагрева металла, осуществлять регулирование расходов газа

ивоздуха, поддерживать заданное соотношение "газ - воздух", подавать сигнал на своевременное переключение перекидных клапанов, обеспечивать безопасную работу газового оборудования и регистрировать основные показатели работы печи.

В результате проведения испытаний на работающей печи установлено:

•температура подогрева воздуха в регенеративной насадке достигает 1050 °С;

•максимальная температура уходящих из насадки газов — 190-250 °С; за дымососом температура продуктов сгорания — 80 °С;

•экономия топлива составляет по сравнению с работой печи на холодном воздухе около 55-65 %;

•увеличивается производительность печи за счет повышения конвективной и лучистой составляющих теплообмена;

•обеспечивается более равномерное распределение температур как в рабочем пространстве печи, так и на поверхности металла по сравнению с печами традиционной конструкции.

Кроме этого, размещение регенератора в одном блоке с горелкой или на незначительном расстоянии от нее, позволяет осуществлять гибкую компоновку оборудования, исключить затраты на строительство боровов и футерованных трубопроводов, а также на закупку дорогостоящих металлических рекуператоров, уменьшить выбросы пыли в атмосферу.

На термических печах целесообразно использование рекуперативных горелок, в которых горелочное устройство, начальный участок дымоотводящего тракта и рекуператор объединены в один блок [14.16].

Разработка горелочно-рекуперативных блоков, в которых каждая горелка снабжена автономным рекуператором, встроенным в корпус данной горелки, обеспечивает:

•высокотемпературный подогрев воздуха, т.к. в рекуператор будут поступать продукты сгорания сразу по выходе из рабочего пространства печи без охлаждения в дымопроводе между печью и рекуператором;

•возможность отказаться от воздухопроводов горячего дутья между рекуператором и горелкой и соответственно упростить систему газо- и воздухопроводов и уменьшить тепловые потери;

•возможность интенсификации теплообмена внутри встроенного рекуператора, т.к. в связи с уменьшением суммарных гидравлических потерь появляется возможность использовать запас давления на увеличение скорости

иинтенсификацию подогрева воздуха внутри горелки (например, путем струйной подачи воздуха);

•работу с минимальным избытком воздуха (а = 1,02+1,05), т.к. отсутствуют потери воздуха между рекуператором и горелкой;

•удобство и надежность системы автоматического регулирования и теплового

контроля.

Рис. 4. Рекуперативная горелка: / — каналы для продуктов сгорания; 2 — газовая труба; 3 — струйный рекуператор; 4 — компенсатор; J — электрод зажигания; 6 — контроль факела

Рекуперативные горелки позволяют более глубоко использовать тепло уходящих продуктов сгорания благодаря отсутствию транспортных потерь тепла на пути от рабочего пространства печи до рекуператора и от рекуператора до горелок. При применении рекуперативных горелок степень регенерации теплоты, т.е. отношение энтальпии подогретого воздуха к энтальпии уходящих продуктов сгорания, может достигать величин 0,6-0,7, в то время как в печах с общим рекуператором он равен 0,3-0,5. При температуре продуктов сгорания перед рекуператором 600-1200 °С экономия топлива с учетом возможности работы горелки на минимальном избытке воздуха может составить 20-50 %.

Стальпроект разработал серию скоростных рекуперативных горелок тепловой мощностью от 30 до 300 кВт (рис. 14.9).

Принята двухступенчатая подача воздуха в горелку для снижения выбросов оксидов азота. В рекуператоре принята комбинация струйного обдува и искусственной шероховатости для интенсификации теплообмена. Каждая горелка выполнена в двух вариантах: с металлическим рекуператором при температуре продуктов сгорания до 1000 °С и с керамическим рекуператором

— при температуре выше 1000 °С. Горелки приспособлены к работе в импульсном режиме. Скорость выхода газовоздушной смеси из горелки принята 120-150 м/с.

Рекуперативные горелки предназначены для установки на печах с рассредоточенным отоплением горелками небольшой мощности. Их использование позволяет получить температуру подогрева воздуха до 600 °С

вметаллическом рекуператоре и до 800 °С в керамическом рекуператоре.

Втермических печах с защитной атмосферой теплоносителем является также сама защитная атмосфера. Поэтому целесообразно регенерировать тепло не только продуктов сгорания (после радиационных труб), но и

отработанной защитной атмосферы из зон нагрева и выдержки, а в некоторых случаях даже из зон охлаждения. В терми-

Рис. 5. Секция предварительного нагрева полосы башенной печи для рекристаллизационного отжига трансформаторной стали: 1 — радиационные трубы; 2 — блоки струйной обдувки; 3 — направление движения полосы

Рис. 6. Диаграмма показателей удельного расхода природного газа (в) и КПД (6) для пламенных алюминийплавильных печей трех типов: однокамерной (/), с наклонным подом (2) и шахтно-ванной (3) (производительность 1-2 т/ч)

Рис. 7. Шахтно-ванная печь для плавки алюминия

ческих печах с защитной атмосферой регенерация тепла с целью подогрева воздуха горения ограничена, а в печах с электронагревом вообще невозможна, поэтому целесообразно использовать это тепло для предварительного подогрева металла, для подогрева вновь поступающей защитной атмосферы и пр.

Примером такого решения является секция предварительного нагрева полосы, разработанная Стальпроектом для башенной печи рекристаллизационного отжига трансформаторной стали Верх-Исетского металлургического завода (рис. 7).

Впечи обрабатывается полоса толщиной 0,65-0,85 мм и шириной 790-1060 мм. Производительность печи до 35 т/ч. Скорость движения полосы 60-110 м/мин. Атмосферой в печи является азотный защитный газ (4-5 % водорода, остальное азот).

Секция предварительного нагрева полосы образует первые два вертикальных прохода печи. В первом проходе происходит прямой нагрев полосы до 220-240 °С, во втором проходе — нагрев радиационными трубами в защитной атмосфере до 450-500 °С. В первом проходе нагрев полосы осуществляется продуктами сгорания, поступающими от радиационных труб, и отработанным защитным газом из последующих камер печи. Смесь продуктов сгорания и отработанного защитного газа с помощью циркуляционной установки подается на полосу через блоки струйной обдувки.

Вплавильных печах целесообразно использовать тепло уходящих продуктов сгорания для предварительного подогрева шихты. В связи с этим, например,

впечах для плавки алюминиевого лома в последние годы происходил переход от однокамерных отражательных печей к печам с наклонным подом и далее к шахтно-ванным. При этом последовательно увеличивался

коэффициент полезного теплоиспользования (тепловой КПД Т]т) и снижался удельный расход топлива.

Вшахтно-ванных печах ванна комбинируется с шахтой и поток продуктов сгорания движется в шахтной части печи навстречу загружаемой шихте и нагревает ее.

Впоследнее время по проектам ОАО "Институт Стальпроект" построено несколько алюминиеплавильных шахтно-ванных печей.

Вэтих печах кроме предварительного подогрева лома в шахте новой

конструкции для повышения Г|т предусмотрено глубокое использование тепла уходящих газов с помощью регенеративной системы отопления и новых типов рекуператоров. Опыт эксплуатации этих печей показал их высокую экономичность по сравнению с электрическими и газовыми печами других типов, действующими на предприятиях России.

Печь с регенеративной системой отопления и оборудованная устройством для подогрева металлошихты имеет следующие преимущества:

•вследствие подачи в ванну нагретой металлошихты уменьшается в 1,5-2 раза продолжительность плавки, сокращаются удельные, на тонну металла, тепловые нормы в рабочем пространстве печи и, следовательно, уменьшается удельный расход топлива;

•температура дыма, поступающего в регенеративную насадку, снижается на 200-250 °С за счет передачи тепла нагреваемой металлошихте, что позволяет при одинаковом объеме регенеративной камеры снизить температуру отходящего после регенератора дыма на 50-70 °С по сравнению с режимом без подогрева лома, тем самым увеличить Т|т печи и уменьшить удельный расход топлива;

•вследствие более низкой температуры дыма, поступающего в регенеративную насадку, и меньшей температуры нагрева воздуха в ней, снижается гидравлическое сопротивление насадки и уменьшаются удельные расходы электроэнергии на отсос дыма из печи и подачу воздуха в печь.

•

Уменьшение потерь тепла из рабочего пространства печи

Уменьшение потерь тепла на водоохлаждаемые элементы. Эта статья потерь тепла является наиболее существенной, особенно в высокотемпературных печах с двухсторонним обогревом, где заготовки лежат на водоохлаждаемых подовых трубах (балках). Здесь потери тепла определяются качеством изоляции подовых труб и балок. Изоляция должна иметь низкую теплопроводность, стойкость к ударам и вибрации, не реагировать с осыпающейся окалиной. Хорошая изоляция не только значительно сокращает потери тепла с охлаждающей водой, но и уменьшает охлаждающее действие труб на нагреваемые заготовки, т.е. повышает равномерность нагрева заготовок. В настоящее время наилучшие результаты показывает двухслойная изоляция с наружным слоем из жароупорного бетона и внутренним — из керамического материала. Стойкость такой изоляции составляет 2-3 года, тепловые потери через охлаждаемые трубы сокращаются в 10-12 раз.

Возможно применение изоляционно-рейтерных блоков, предлагаемых НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН [14.18].

Прорабатываются вопросы замены водоохлаждаемых элементов изделиями из высокожаропрочных сплавов (кобальтовые, высокохромистые и др.), металлокерамики и модифицированных огнеупоров, например, карбидкремниевых.

Втермических печах целесообразно использовать высокотемпературные смазки, которые позволяют отказаться от водяного охлаждения цапф роликов.

Применение современных огнеупорных материалов.

Применение современных огнеупорных и теплоизоляционных материалов позволяет значительно уменьшить потери тепла через кладку, улучшить плотность печи, увеличить стойкость футеровки и межремонтные периоды работы печи.

Внастоящее время для футеровки методических нагревательных печей широко применяются жароупорные бетоны, пластичные и набивные массы, волокнистые и легковесные огнеупоры отечественных и зарубежных фирм.

Большой эффект для методических нагревательных печей дает выполнение подвесного свода из жароупорного бетона. Подвесной свод из штучных

фасонных огнеупоров очень неплотен, что вызывает большие потери тепла и фильтрацию продуктов сгорания. Бетонный свод выполняется из нескольких слоев и крепится на керамических анкерах. Внутренний слой, обращенный в рабочее пространство печи, выполняется из жароупорного бетона с содержанием А1203 не менее 50 %. Бетонный свод обладает высокой плотностью, хорошими изолирующими свойствами, его стойкость превышает стойкость подвесного свода из фасонных огнеупоров в 5-10 раз.

Очень важно качество огнеупоров, применяемых для выполнения подины печей. Они должны иметь высокую огнеупорность и термостойкость, достаточную прочность при ударном и истирающем воздействии заготовок, не должны реагировать с осыпающейся окалиной. Для футеровки подины толкательных печей целесообразно использовать в верхнем рабочем слое жароупорные бетоны с содержанием А12Оэ не менее 80 %.

Для балок в печах с шагающим подом применяют многослойную футеровку с верхним рабочим слоем, выполненным из жароупорного бетона с содержанием А120 в высокотемпературной зоне не менее 80 %, а в низкотемпературной зоне — не менее 50 %. Такая футеровка позволяет отказаться от металлической облицовки шагающих балок, выполняемой из дорогостоящего жароупорного стального литья. Улучшается качество и экономичность нагрева, т.к. при металлической облицовке балок происходит сток тепла в щели между балками, в результате чего увеличивается неравномерность нагрева заготовок и расход топлива.

Уплотнение рабочего пространства печей. Ниже перечислены некоторые меры, используемые для уплотнения рабочего пространства печей:

•применение плотных футеровок из неформованных огнеупоров (огнеупорных бетонов, набивных и пластичных масс) вместо кладки из штучных кирпичей с большим количеством кладочных швов;

•в проходных нагревательных печах применение, где это возможно, боковой посадки и выдачи, минимальные размеры окон для посадки и выдачи, газовые завесы на этих окнах, сокращение количества рабочих окон и применение плотных заслонок на рабочих окнах;

•водяные затворы по всему периметру у печей с шагающим подом;

•механический прижим заслонок в камерных печах;

•в проходных термических печах с защитной атмосферой применение газодинамических, шторных и клиновых затворов;

•плотные резиновые затворы с прижимами в садочных печах с защитной атмосферой.

•

Применение современных автоматизированных систем управления технологическим процессом (АСУ ТП)

Для реализации мер по энергосбережению необходима оптимизация тепловых и температурных режимов работы печей в условиях широкого изменения сортамента, технологии и производительности. С этой целью разработаны современные АСУ ТП с использованием контроллерной техники