ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

220

Потери физического тепла жидкого чугуна и шлака определяется выходом соответствующего продукта и его энтальпией. Физическое тепло жидкого передельного чугуна может использоваться непосредственно при выплавке мартеновской или конвертерной стали. В связи с отсутствием технических решений физическое тепло шлака в настоящее время на металлургических заводах не утилизируется.

Вкачестве сырья для доменного процесса вместо сырой руды все более широко используется агломерат, который производится на ленточных агломерационных машинах. На производство одной тонны агломерата расходуется 1,4…1,5 ГДж энергии топлива. К вторичным энергоресурсам процесса производства агломерата относятся физическое тепло агломерата и уходящих газов. Тепловая энергия уходящих газов в настоящее время практически не используется, так как их температура в среднем не превышает 120 °С. На долю агломерата приходится 25…35 % от всего расхода тепловой энергии, но до сих пор перед подачей в доменную печь агломерат охлаждают либо водой, либо воздухом на специальных охладителях без полезного использования его тепла.

Ферросплавы на металлургических заводах в настоящее время выплавляются в основном в электропечах, а их производство в доменных печах постоянно сокращается. При выплавке доменных ферросплавов образуются такие же ВЭР, как и при выплавке чугуна, однако выход ВЭР здесь значительно меньше, что снижает экономическую привлекательность их утилизации. К тому же из-за большой запыленности, тепло ферросплавных газов почти полностью теряется при их мокрой очистке в скрубберах. При выплавке ферросплавов в уходящих газах содержится 65…90 % окиси углерода (СО), теплота сгорания такого газа составляет 8400…11300 кДж/мЗ, и в ряде случаев он используется в качестве котельно-печного топлива. Физическое же тепло ферросплавов и шлака в настоящее время не утилизируется.

Всталеплавильном производстве на выплавку 1 т мартеновской стали наиболее распространенным скрап-рудным процессом расходуется около 4,2 ГДж энергии топлива. Значительное количество тепла выходит из печи вместе с уходящими газами, сталью, шлаком и при охлаждении элементов печи. Уходящие газы мартеновских печей на выходе из регенераторов имеют температуру от 500 до 700 °С и используются в котлах-утилизаторах для выработки пара. Однако они

221

также сильно запылены и нуждаются в очистке, что затрудняет работу котлов-утилизаторов.

Системы испарительного охлаждения мартеновских печей позволяют вырабатывать пар давлением до 1,8 МПа, который используется на технологические нужды.

При кислородно-конвертерном производстве стали, несмотря на отсутствие расхода топлива, также образуются ВЭР в виде химической энергии и физического тепла конвертерных газов, тепла стали и тепла шлака. Конвертерные газы состоят в среднем из 90 % окиси углерода и 10 % двуокиси углерода. Температура газов на выходе из конвертера колеблется в пределах 1600…1800 °С. Конвертерные газы содержат до 120…220 г/м3 пыли, а поэтому обязательно должны от нее очищаться. Существующие схемы газоочистки требуют предварительного охлаждения газа. С точки зрения использования ВЭР представляют интерес только способы охлаждения конвертерных газов с утилизацией тепла. После газоочистки конвертерные газы можно использовать в качестве топлива. Однако из-за периодичности работы конвертера, подсоса воздуха и возможности образования взрывоопасной смеси в настоящее время проблема аккумуляции конвертерного газа до конца не решена и часто на действующих крупных конвертерах газ сжигается на свечах.

На металлургических заводах с полным циклом часть физического тепла стали используется с горячим всадом слитков в нагревательные устройства прокатных станов. Оптимальная температура горячего всада находится в пределах 800…900 °С. Горячий всад слитков в нагревательные устройства позволяет значительно сократить расход топлива на нагрев металла.

Широкое распространение получили впервые разработанные отечественными металлургами установки непрерывной разливки стали (УНРС). В первичных кристаллизаторах УНРС охлаждающая вода воспринимает тепло перегрева стали и часть тепла плавления (затвердевания). Промышленное внедрение кристаллизаторов УНРС с испарительным охлаждением позволит физическое тепло стали использовать для выработки пара, как и при испарительном охлаждении оборудования. На 1 т металла в системе испарительного охлаждения УНРС возможна выработка 52…66 кг пара.

Физическое тепло шлака сталеплавильного производства, как и тепло доменных шлаков, не утилизируется.

222

К ВЭР прокатного производства относятся физическое тепло уходящих газов нагревательных устройств и тепло, теряемое с охлаждающей средой. Температура уходящих газов нагревательных устройств колеблется от 220…250 до 700…750 °С, а в печах, не имеющих рекуператоров, достигает 900…1000 °С. Использование этого потенциала в котлах-утилизаторах позволяет вырабатывать пар энергетических параметров. Температура уходящих газов на выходе из котлов-утилизаторов при этом снижается до 200…230 °С.

Благодаря относительной стабильности температурного режима в СИО печей прокатного производства получают энергетический пар давлением до 4,5 МПа.

Работа термических печей носит периодический характер, поэтому целесообразность утилизации тепла их уходящих газов в кот- лах-утилизаторах зависит от возможности периодического использования утилизационного пара.

В коксохимическом производстве на выжиг 1 т кокса затрачива-

ется около 100 кг условного топлива. Почти вся тепловая энергия от сжигания топлива, за исключением потерь во внешнюю среду (6…8 %), уходит из коксовой печи в виде ВЭР, к которым раскаленный кокс, коксовый и уходящий газ.

Коксовый газ в смеси с водяным паром и химическими продуктами коксования на выходе из коксовых печей имеет среднюю температуру примерно 700 °С. Пока почти все физическое тепло коксового газа, составляющее до 30…35 % от тепловой энергии топлива, подведенного в печь, теряется в газовых холодильниках.

Тепловая энергия раскаленного кокса, имеющего температуру 1000…1100 °C, используется в установках сухого тушения кокса (УСТК), что обеспечивает прежде всего значительное повышение качества кокса. Кроме того, за счет использования физического тепла раскаленного кокса в УСТК вырабатывается пар энергетических параметров давлением 2,0…4,5 МПа. Сухое тушение кокса позволяет резко снизить расход охладителя, сокращает материальные потери кокса, так как исключает его растрескивание, обеспечивает экономию энергии на циркуляцию, очистку и охлаждение оборотной воды, однако требует дополнительных капитальных затрат на сооружение герметизируемых на период тушения кокса бункеровтеплообменников.

223

Впроизводстве огнеупорных материалов используются пре-

имущественно полые вращающиеся печи с колосниковыми холодильниками для охлаждения обожженного продукта воздухом, идущим на сгорание топлива. Удельный расход тепловой энергии топлива в зависимости от исходного сырья составляет 4,2…14,7 ГДж на 1 т огнеупорного материала.

К вторичным энергоресурсам, пригодным для утилизации, в огнеупорном производстве можно отнести только физическое тепло уходящих газов обжиговых печей, температура которых на выходе из печей составляет 400…700 °С. Тепловая энергия этих газов может использоваться для подогрева и сушки шихтовых материалов по регенеративной схеме или в котлах-утилизаторах для выработки пара.

Вцветной металлургии основными источниками ВЭР являются металлургические печи, в которых значительное количество тепловой энергии теряется с уходящими газами, шлаками и охлаждающей водой. Эти потери весьма велики и в зависимости от типа и назначения печей составляют в тепловом балансе с уходящими газами 10…60 %, с охлаждающей водой 10…30 %, со шлаками 15…70 %.

Валюминиевой промышленности ВЭР образуются при произ-

водстве глинозема и электродов. При этом агрегатами-источниками ВЭР являются трубчатые вращающиеся печи для кальцинации гидроокиси алюминия, а также печи для прокалки электродного кокса.

Основным направлением использования физического тепла уходящих газов в цветной металлургии является его комплексное использование в специальных котлах-утилизаторах для получения пара

инагрева воздуха, идущего на горение в печь.

Большие возможности для выработки тепла в цветной металлургии заложены в использовании тепловой энергии шлаков, которые составляют 15…70 % в тепловых балансах металлургических печей и выходят с температурой 1200…1300 °С. Однако, этот вопрос до сих пор удовлетворительно не решен.

На предприятиях тяжелого машиностроения ВЭР сравни-

тельно высоких параметров образуются в основном в мартеновских, нагревательных и термических печах в виде тепла уходящих газов и теплоотвода при охлаждении оборудования. Низкопотенциальные ВЭР образуются в виде тепловой энергии отработавшего пара давлением 0,1…0,12 МПа от прессов и молотов, являющихся основными потребителями технологического пара средних параметров.

224

Тепловая энергия отработавшего пара используется в основном для коммунально-бытовых и отопительно-вентиляционных целей – нагрева воды в специальных утилизационных бойлерных установках.

Для машиностроения характерно исключительно широкое использование электрической энергии для привода станочного парка и обеспечения работы конвейерных, транспортных систем и высокий уровень автоматизации технологических процессов, поэтому значительный резерв экономии энергии (и топлива) достигается внедрением энергосберегающих мероприятий, обеспечивающих эффективную работу электропривода.

Химическая промышленность включает ряд специализированных подотраслей производства, наиболее энергоемкими из которых являются:

-азотная, хлорная, содовая отрасли;

-основная химическая промышленность;

-промышленность химических волокон, лаков и красок;

-промышленность пластических масс.

Почти во всех отраслях химической промышленности образует-

ся значительное количество горючих и тепловых ВЭР, использование которых играет существенную роль в покрытии потребности в тепловой энергии отдельных процессов химического производства.

Использование физического тепла технологических газов на многих предприятиях азотной промышленности осуществляется с помощью паровых котлов-утилизаторов.

В производстве аммиака начальная температура газов, поступающих в котлы-утилизаторы, колеблется от 900 до 1500 °С, в которых она снижается до 180 °С. В процессе производства аммиака образуются также горючие танковые газы с теплотой сгорания 8000 кДж/м3 и окись-углеродная фракция с теплотой сгорания от 4600 до 8000 кДж/м3. Сжигание этих газов производится главным образом

взаводских котельных.

Впроизводстве слабой азотной кислоты котлы-утилизаторы используются для охлаждения нитрозных (от 800…850 °С) и хвостовых газов (от 400 °С) до 160…185 °С.

Наиболее крупным в основной химической промышленности является производство серной кислоты. При этом образуются продукционные сернистые газы, выходящие из печей обжига колчедана с температурой 850…950 °С. По технологическим условиям этот газ

225

должен охлаждаться до температуры 400…450 °С, что позволяет использовать отводимое тепло в котлах-утилизаторах.

Тепловая энергия дымовых газов вращающихся печей при производстве обесфторенных фосфатов используется в котлахутилизаторах для выработки пара давлением 1,3 МПа при 180…200 °С в количестве 10…12 т/ч.

Всодовой промышленности образуются только тепловые ВЭР. Уходящие дымовые газы содового производства от различных агрегатов имеют температуру от 400…500 °С до 1000 °С и находят в основном регенеративное использование в технологических процессах.

Вхлорной промышленности образуются горючие и тепловые

ВЭР.

К горючим ВЭР относятся технический водород, жидкие горючие отходы, фенольные смолы и др.

К тепловым ВЭР может быть отнесено физическое тепло: - уходящих газов из печей; - экзотермических реакций;

-конденсата;

-паров вторичного вскипания;

-продувочной воды;

-рециркуляционных жидкостей и др.

Вторичные энергоресурсы имеются также и в других подотраслях химической промышленности.

В нефтеперерабатывающей промышленности основными ВЭР является тепло уходящих дымовых газов трубчатых печей, нагретых нефтепродуктов и охлаждающей воды.

Температура уходящих газов трубчатых печей зависит от их конструкции, требуемой температуры нагрева перерабатываемого сырья, коэффициента избытка воздуха и ряда других факторов. В настоящее время на различных установках первичной и деструктивной переработки нефти температура уходящих газов на выходе из печи достигает 320…600 °С.

За трубчатыми печами большинства технологических установок температура дымовых газов равна в среднем 400 °С, а за печами коксовых установок и установок пиролиза она достигает 600 °С. Тепловая энергия газов используется в рекуператорах для подогрева воздуха, подаваемого в печь на сжигание топлива, или в котлахутилизаторах для выработки пара технологических параметров.

226

Тепловая энергия нагретых нефтепродуктов используется, как правило, регенеративно для подогрева холодных сырьевых материалов. Остаточное тепло нефтепродуктов после регенеративных подогревателей не утилизируется, а снимается в воздушных или водяных холодильниках. Тепловая энергия охлаждающей воды на нефтеперерабатывающих заводах практически не используется.

К ВЭР в нефтеперерабатывающей промышленности относится также тепло:

-уходящих газов и избыточное тепло регенерации катализатора в каталитических процессах;

-уходящих газов от сжигания сероводорода в процессах очистки нефтепродуктов от серы;

-уходящих газов печей для сжигания побочной органики. Тепловая энергия уходящих газов регенерации используется

обычно в котлах-утилизаторах.

При переработке сернистой нефти содержание сероводорода в газах намного превышает допустимое, поэтому эти газы подвергаются очистке. Поглотительный раствор регенерируется нагреванием, при этом из него выделяется сероводородный газ высокой концентрации. Полученный сероводородный газ используется затем для производства серы или серной кислоты путем сжигания его в специальных печах. Уходящие газы печей сжигания сероводорода имеют температуру 1000…1200 °С. Тепловая энергия этих газов обычно используется в котлах-утилизаторах для выработки пара.

Для сокращения вредных отходов в некоторых производствах используется термическое обезвреживание органики и сточных вод. Обезвреживание токсичных отходов осуществляется в специальных печах или реакторах за счет их сжигания в смеси с топливным газом (или самостоятельно при достаточной теплоте сгорания отходов) при температуре не менее 1000 °С. Физическое тепло получаемых газов используется в котлах-утилизаторах для выработки водяного пара.

В нефтеперерабатывающей промышленности образуются также ВЭР избыточного давления. В установках термического крекинга под давлением в реакционной камере поддерживается давление 2,0…2,5 МПа. Для выделения крекинг-остатка в испарителе первоначальное давление необходимо снизить до 0,8…1,2 МПа. В настоящее время это достигается посредством редуцирования, при этом энергия избыточного давления жидких продуктов безвозвратно теряется.

227

Давление можно снизить в специальной гидротурбине, используемой для привода насосов или выработки электроэнергии. Так, в установке термического крекинга с выходом жидких продуктов, которые подвергаются редуцированию, возможная мощность гидротурбины составляет около 45 кВт.

Внефтехимической промышленности ВЭР образуются в ос-

новном в производствах синтетических каучуков и волокон, синтетического спирта, технического углерода (сажи) и др.

Впроцессах синтеза исходных мономеров при производстве каучука тепловыми вторичными энергоресурсами являются:

- уходящие газы печей; - контактный газ;

- газ регенерации катализатора.

Кроме этих видов ВЭР, в цехах разделения продуктов химических реакций легкие углеводороды выделяются в виде абсорбционного газа (метано-водородной фракции), относящегося к горючим ВЭР

ииспользующегося для сжигания в печах. Тяжелые углеводороды выделяются в виде кубового остатка, который иногда используется как моторное топливо. Но в большинстве случаев тяжелый кубовый остаток используется на нефтеперерабатывающих заводах для дальнейшей переработки, поэтому, как правило, он к ВЭР не относится.

Количество и параметры образующихся ВЭР зависят от вида получаемого мономера и исходного сырья, используемого для синтеза мономеров.

Горючие абсорбционные газы состоят в основном из водорода, легких углеводородов, окиси углерода и инертных газов СО2 и N2.

Теплота сгорания абсорбционного газа зависит от его состава и колеблется для разных производств от 10500 до 25200 кДж/м3.

Физическое тепло потока продуктов химического производства может использоваться в теплообменниках для подогрева холодных шихтовых материалов, поступающих в реактор, или в котлахутилизаторах для выработки пара.

Уходящие газы подогревательных печей на заводах синтетического каучука практически не используются.

На заводах синтетического этилового спирта ВЭР образуются в процессах производства этилена и при прямой гидратации этилена в спирт. При этом образуются горючие газы и тепловые ВЭР (дымовые газы) с температурой до 400…500 °С. Физическое тепло уходящих

228

газов обычно используется для выработки пара в котлахутилизаторах. Оно может использоваться также для подогрева дутьевого воздуха в рекуператорах.

Кубовый остаток ректификации спирта – фузельная вода – на выходе из колонн имеет температуру, равную примерно 110…125 °С. На 1 т спирта-ректификата образуется от 8 до 10 м3 фузельной воды. В настоящее время физическое тепло фузельной воды практически не используется, она сбрасывается в химически загрязненную канализацию. Перед этим она предварительно охлаждается промышленной водой до 45 °С. Тепловая энергия фузельной воды может быть использована в системах теплоснабжения с помощью тепловых насосов.

Несмотря на то, что в технологических процессах целлюлознобумажной промышленности используется в основном тепловая энергия, в отрасли используются только горючие ВЭР, которые представляют собой отходы перерабатываемой древесины.

В процессах производства бумаги, картона и целлюлозы образуется также много тепловых отходов в виде тепла парогазовой смеси сдувок и выдувок, конденсата варочного и выпарного цехов, паровоздушной смеси сушильных, бумаго- и картоноделательных машин и др. Все эти тепловые отходы направляются в тепло-регенерационные установки и теплоулавливающую аппаратуру для подогрева технологической воды и воздуха, используемых в тех же технологических процессах и агрегатах, в результате чего снижается потребность в тепловой энергии от энергетических установок.

На предприятиях отрасли имеется также значительное количество низкопотенциальных тепловых отходов в виде воды и паровоздушной смеси с температурой 35…40 °С. Этот энергопотенциал пока практически не используется. Улучшение использования вторичного тепла связано с совершенствованием технологических процессов целлюлозно-бумажной промышленности.

Горючие ВЭР образуются в виде коры и древесных отходов, сульфитных и сульфатных щелоков. Кора и древесные отходы образуются в процессах подготовки древесины к варке при окорковке, распиловке, рубке и сортировании щепы. В зависимости от вида поставки и породного состава древесины в ней содержится от 5 до 18 % коры. С корой при окорковке в отходы переходит от 1,5 до 3,5 % древесины. Суммарные отходы древесины в подготовительных цехах со-

229

ставляют в зависимости от вида древесины от 3 до 8,5 % от объема её переработки. Эффективность использования коры и древесных отходов в значительной мере зависит от их влажности. Для эффективного сжигания коры в топках паровых котлов ее влажность не должна превышать 60…65 %. После широко использования мокрой окорковки древесины влажность коры достигает 80…90 %. Такие отходы перед сжиганием должны пройти специальную подготовку на короотжимных прессах.

При зольности рабочего топлива 2 % и влажности 60 % теплота сгорания отходов переработки древесины хвойных пород и осины может быть принята равной 5600 кДж/кг, а березы – 6650 кДж/кг.

В газовой промышленности основным источником ВЭР на компрессорных станциях магистральных газопроводов являются газоперекачивающие агрегаты. В качестве газоперекачивающих агрегатов используются газовые турбины с регенерацией тепла и без неё мощностью от 5 до 25 МВт.

Газовые турбины, используемые на компрессорных станциях, имеют КПД, не превышающий 22-32 %. Более 70 % тепловой энергии топлива теряется с выхлопными газами ГТУ, что говорит о сравнительно низкой тепловой экономичности газоперекачивающих агрегатов. В зависимости от типа турбин выхлопные газы имеют температуру от 270 до 400 °С и выше.

Количество образующихся выхлопных газов зависит от типа и мощности газовой турбины. Возможное использование тепловой энергии выхлопных газов при охлаждении их в утилизационной установке до 160 °С составляет не менее 2,2 ГДж/ч в расчете на каждый 1 МВт рабочей мощности для регенеративных турбин и более 3,5 ГДж/ч для безрегенеративных турбин. Повысить эффективность работы ГТУ можно за счет выработки пара в котлах, обогреваемых отработавшими в газовой турбине продуктами сгорания. Пар может использоваться как для теплоснабжения, так и для производства механической работы (привода центробежных нагнетателей газа или выработки электроэнергии). При наличии крупного потребителя тепловой энергии пар целесообразно использовать вначале в паровой турбине с противодавлением, а затем в сетевом подогревателе для производства тепловой энергии (классическая схема парогазовой турбоустановки ПГУ). При отсутствии потенциального потребителя тепловой энергии, что характерно для подавляющего количества ли-