Технология целлюлозно-бумажной промышленности

К числу основных технологических процессов относятся: подготовка древесного сырья; варка, промывка, отбелка целлюлозы; производство раз­личных видов бумаги и картона, регенерация химикатов (рис. 8.3).

Цех подготовки древесного сырья предназначен для приемки древес­ного сырья, получения технологической щепы из древесины, приемки при­возной щепы автомобильной поставки и подачи щепы в производство. Цех подготовки древесного сырья состоит из трех участков: выгрузки древе­сины; распиловочно-окорочного; древесно-сырьевого. Варка целлюлозы осуществляется сульфатным способом в трех непрерывно действующих установках. По породному составу перерабатываемой древесины имеются два потока: лиственный и хвойный.

Промывка целлюлозы проводится сначала в диффузоре непрерывного действия, далее предусмотрены две схемы промывки целлюлозы: для произ­водства беленой и небеленой целлюлозы. Процесс получения раствора диок­сида хлора осуществляется на четырех потоках по методу Метисона и осно­ван на реакции взаимодействия хлората натрия и диоксида серы при наличии серной кислоты.

Регенерация химикатов происходит в выпарных аппаратах поверхност­ного типа. Выпарной цех оснащен тремя 6-корпусными вакуум-выпарными установками со смешанным ходом щелоков. Плотный черный щелок сжига­ется в содорегенерационных котлах с получением зеленого щелока и после­дующей его откачкой на каустизацию. В цехе регенерации щелоков и произ­водства извести получают белый щелок на каустизационной установке непрерывного действия.

Технологический процесс производства термомеханической массы включает в себя подготовку щепы, ее пропарку и размол, отбелку, сорти­ровку, очистку и сгущение древесной массы, переработку отходов. Отбелка термомеханической древесной массы производится в две ступени: первая ступень — пероксидом водорода, вторая — гидросульфитом натрия. Сортиро­вание, очистка и сгущение массы производятся на пяти сортировочных пунк­тах, где происходит отделение грубого, неразмолотого волокна и костры.

(обозначения те же, что и на рис. 8.1)

Производство химико-термомеханической массы включает в себя два идентичных и взаимозаменяемых потока, один из которых предназначен для переработки хвойной, а другой — лиственной древесины. Отличие этого процесса от предыдущего состоит в использовании различных химических реагентов для обработки щепы перед ее размолом из условий технологиче­ского регламента.

Сушильная часть предназначена для обезвоживания бумажного полотна, поступающего после прессовой части. Она включает в себя: бума- госушильные цилиндры; холодильный цилиндр; сетко- и бумаговедущие валики; систему канатиковой заправки; игольчатый заправочный нож; элек­тропривод; устройство натяжения и правки сушильных сеток; шаберы; сис­тему карманной вентиляции; устройства чистки сеток. Сушильная часть (по пару) подразделяется на несколько групп. Это основной потребитель тепло­вой энергии.

Технология — совокупность методов обработки, изготовления, измене­ния состояния, свойств, формы сырья, материала или полуфабриката, при­меняемого в процессе производства для получения готовой продукции.

Все технологические процессы, в которых потребляется тепловая энер­гия, можно разделить по температурному уровню на низкотемпературные (НТП) и высокотемпературные (ВТП). К высокотемпературным теплотех- нологическим процессам относятся: технологические процессы в черной и цветной металлургии, такие как доменный процесс, выплавка стали, меди, никеля и других металлов; технологические процессы производства многих строительных материалов, такие как обжиг цементного клинкера, варка стекла, обжиг керамических изделий; технологические процессы химиче­ской, нефтяной и нефтеперерабатывающей промышленности, такие как тер­мический и каталитический крекинг, пиролиз нефтепродуктов, газификация твердых топлив); процессы сжигания твердых и жидких отходов.

Высокотемпературные теплотехнологические процессы, осуществляе­мые, как правило, в промышленных печах, характеризуются не только боль­шим потреблением ТЭР, но и невысокой энергетической эффективностью. Например, для получения 1 т алюминия требуется расход энергоресурсов примерно 9 т у.т., никеля — 13,4 т у.т., цинка — 2 т у.т., сортового проката — 1,0—2,5 т у.т., кокса— 1,3 —1,4 т у.т. В России потребление топлива в про­мышленных печах сопоставимо с его затратами на выработку электрической энергии [1].

Тепловой КПД многих объектов металлургических предприятий состав­ляет примерно 0,25—0,3 и редко достигает 0,5—0,6. Сравнение энергоем­кости производства меди, стали, алюминия, огнеупорных изделий в России и США показывает, что в ВТП имеются большие резервы экономии энер­гии. Так, например, удельный расход энергии на производство стали в слитках к концу XX в. составлял: в США — 0,776 т у.т/т; в Германии — 0,446 т у.т/т; в Швеции — 0,569 т у.т/т; в России — 0,790 т у.т/т. Теорети­ческий минимум этой величины равен 0,238 т у.т/т.

Высокотемпературные теплотехнологические процессы характеризу­ются рядом особенностей:

в отличие от низкотемпературных технологических процессов, в которых чаще всего используется тепловая энергия горячей воды или пара, в высоко­температурных технологиях для организации процесса расходуется топливо или электроэнергия. Поэтому в высокотемпературных технологиях большое внимание уделяется наилучшей организации процесса горения;

большую роль играют процессы, в которых температура исходных матери­алов, промежуточных и конечных продуктов, элементов конструкций техно­логических агрегатов, имеющих большую массу, изменяется во времени. При этом значительная часть теплоты уходит в виде потерь в окружающую среду;

в ВТП велика физическая теплота уходящего из установок готового про­дукта, а также шлаковых отходов, которую целесообразно утилизировать;

значительны потери теплоты с поверхностей ограждающих конструкций технологических аппаратов в окружающую среду за счет конвекции и излу­чения.

Наиболее энергоемкими ВТП являются процессы в черной металлургии. Потребление энергоресурсов в этих процессах составляет до 70 % всего потреб­ления энергии в высокотемпературных технологиях.

В энергетическом балансе предприятий металлургии на топливо прихо­дится 70—80 %. Примерно 15—20 % приходится на электроэнергию, кото­рая используется в основном для электротермического нагрева, плавления и электропривода.

В черной металлургии используются различные виды топлива. Каменно­угольный кокс — продукт, получаемый при нагревании угля без доступа воздуха, его расход составляет 35—38 % общего потребления топлива. По химическому составу кокс на 96—98 % состоит из углерода. Кокс является не только топливом. Он участвует также в химической реакции восстановле­ния железа из его оксидов в доменном процессе.

Приблизительная структура потребления различных видов топлива в чёр­ной металлургии представлена на рис. 8.4.

Степень полезного использования теплоты в высокотемпературных техно­логиях или составляющих её элементов определяется с помощью тепловых балансов, которые могут быть составлены для промышленного предприятия, цеха, теплотехнологической установки в целом или её составной части — теплотехнологического реактора.

Теплотехнологический реактор (аппарат, рабочее пространство тепло- технологической установки) — одно- или многокамерное устройство, в пре­делах которого осуществляются все стадии данного теплотехнологического процесса [1]. Наиболее распространен-ными теплотехнологическими реакто­рами для высокотемпературных процессов являются промышленные печи различных назначения и конструкции.

Q_Т.П,

Q_Т.М,

Q_О.Г,

Q_Х.Т,

Q_Ф.Т,

Теплотехнологический

реактор,Q_ЭКЗ, Q_ЭНД

Q_Ш.О,

Q_Ф.Д,

Q_О.С,

Рис. 8.5. Схема тепловых потоков в рабочей камере теплотехнологического реактора

Рассмотрим основные составляющие теплового баланса теплотехнологи­ческого реактора (рис. 8.5).

Приход:

физическая теплота поступающих в установку веществ: топлива, окисли­теля Q_Ф.Т, исходного технологического материала Q_T.M

физическая теплота нагрева газа, выделяемая при работе двигателей нагнетателей Q_Ф.Д суммарной мощностью ∑N_Д;

подводимая для организации процесса тепловая энергия, выделяющаяся в процессе химической реакции горения топлива либо в электротермических установках, Q_Х.Т;

тепловой эффект экзотермических реакций, протекающих в технологи­ческой зоне, Q_ЭK3.

Расход:

физическая теплота уходящих из установки твёрдых веществ: технологи­ческого продукта Q_T.П, шлаковых отходов Q_Ш.О;

тепловой эффект эндотермических реакций, протекающих в технологи­ческой зоне, Q_ЭНД;

потери теплоты с отходящими газами Q_О.Г, в том числе потери теплоты от неполноты сгорания топлива, т.е. от химического и механического недожога;

потери теплоты в окружающую среду через обмуровку за счёт конвекции и излучения Q_О.С.

Если рассматривается нестационарный режим работы, то кроме составля­ющих теплового баланса, указанных на рис. 8.5, в расходной части должна быть учтена теплота, затраченная на разогрев конструкций технологических аппаратов и их обмуровки.

В ВТП потери теплоты с отходящими газами могут составлять 40 — 70 %; со шлаковыми отходами — 30 %; потери в окружающую среду через обму­ровки— 2—20 %.

Тепловой баланс теплотехнологической установки является основой при выполнении её энергетического анализа.

На основе теплового баланса теплотехнологического реактора можно определить расход топлива или электрической энергии, затрачиваемый на еди­ницу выпускаемой продукции, который служит важной характеристикой для оценки энергетической эффективности процесса. Например, удельный расход топлива на производство на 1 т меди в России составляет примерно 1,4 т у.т.

Тепловой КПД теплотехнологической установки определяется по формуле

(8.1)

Другим способом определения теплового КПД является его расчёт через тепловые потери:

где В, — расход и низшая теплота сгорания используемого топлива.

Пример 8.1. Определить КПД плавильной печи при следующих условиях: в тепловом балансе печи потери с отходящими газами составляют 50 % подведен­ной теплоты, потери теплоты через ограждения — 10 %, затраты на нагрев мате­риала до температуры плавления — 15 % и затраты на плавление — 25 %. Регене­рация теплоты отходящих газов и теплоты готового продукта отсутствует.

Решение. Полезными затратами теплоты в этом случае являются затраты на нагрев материала и его плавление. Тепловой КПД печи в этом случае составляет:

=-0,4.

Основные направления энергосбережения и энергосберегающие меро­приятия в высокотемпературных технологиях изложены в [2].

Классификация приемов энергосбережения, разработанная на кафедре энергетики высокотемпературных технологий МЭИ, представлена на рис. 8.6.

Рис. 8.6. Классификация энергосберегающих мероприятий в высокотемпературных технологиях

Для создания энергосберегающих высокотемпературных теплотехнологий и выбора энергосберегающих мероприятий была разработана и полу­чила развитие концепция интенсивного энергосбережения, которая предпо­лагает сравнение энергетических характеристик действующих объектов и их термодинамически идеальных моделей, имеющих теоретический минимум энергетических затрат [1]. Такой подход позволяет определить, насколько совершенной является предлагаемая технология и насколько велики дей­ствительные резервы энергосбережения. Наивысшего уровня использования энергии, как правило, нельзя достигнуть по ряду причин технического, эконо­мического и экологического характера. Например, утилизация теплоты влаж­ных продуктов сгорания ограничивается условиями недопущения выпадения влаги в газоходах и дымовых трубах, а также недопущения превышения допустимых концентраций вредных веществ в атмосфере.

Наиболее распространены экономические ограничения достижения наивысшего уровня энергосбережения. В настоящее время разрабатываются методы термоэкономического анализа, в котором связываются экономия энергии и необходимые для этого затраты.

Меры по снижению энергопотребления в высокотемпературных технологиях можно разделить на четыре основные группы [1]: использование передовых энергосберегающих технологий; уменьшение энергетических потерь и материальных отходов в высокотемпературной технологической установке (ВТУ);

регенеративное использование энергии вторичных энергетических ресурсов, уходящих из установки, за счёт её возвращения в технологический процесс;

внешнее теплоиспользование — использование энергии ВЭР для прове­дения технологических процессов в других установках либо для получения тепловой или электрической энергии (в зависимости от этого внешнее теп­лоиспользование подразделяют на технологическое и энергетическое).

Внешнее энергетическое использование теплоты может быть связано, например, с получением пара или горячей воды, направляемой на нужды теплоснабжения. Примером внешнего технологического использования теп­лоты отходящих газов может служить её применение для подогрева сушиль­ного агента в сушильных установках (рис. 8.7).

Теплота газообразных ВЭР для получения пара используется в котлах- утилизаторах различной конструкции, которые в зависимости от темпера­туры и запылённости отходящих газов делятся на радиационные, конвек­тивно-радиационные и конвективные. Температура газов, используемых для выработки пара в котлах-утилизаторах, колеблется от 240 до 1300 °С. Полу­чаемый в них пар имеет избыточное давление 0,5—4,7 МПа и температуру 151—440 °С. Паропроизводительность котлов-утилизаторов может состав­лять 0,53—200 т/ч. На рис. 8.8 представлена схема установки котлов-утили­заторов за нагревательной печью прокатного цеха завода черной металлур­гии [1]. Для надёжной работы котлов на запылённых дымовых газах необходимо предусматривать систему очистки поверхностей нагрева.

Рис. 8.7. Принципиальная схема внешнего дополнительного использова-ния тепловых отходов высокотемпера-турной теплотехнологии:

Т—топливо; О — окислитель; ТМ, ТП — технологические материал и продукт; УТ—утили­заторы теплоты

5

4

4

3

3

6

6

2

1

Рис. 8.8. Схема установки котлов-утилизаторов за нагревательной печью прокатного цеха:

1 — печь; 2 — рекуператор; 3 — котлы-утилизаторы; 4 — дымососы; 5 — дымовая труба; 6 — отсечные шиберы

Иногда кроме физической теплоты отходящих газов в котлах-утилизаторах используется тепловая энергия, получаемая при их сжигании.

Энергетический КПД технологического агрегата будет определяться по формуле

(8.3)

Рост КПД для внешнего дополнительного теплоиспользующего устройства будут вычисляться по соотношени