Глава 3. Энерготехнологические установки

3.1. Энерготехнологическое комбинирование в прокатном производстве

В прокатном производстве энерготехнологическое комбинирование позволяет снизить удельные затраты топлива на нагрев единицы массы металла. Котел на отходящих продуктах сгорания (рис. 27) устанавливается на печи. Металлический воздухоподогреватель размещается за котлом. Система испарительного охлаждения печи включается в параллельный циркуляционный контур котла.

На рис. 27 показана схема ЭТА, предназначенного для нагрева металла перед прокаткой [5]. Теплоиспользующая котельная поверхность устанавливается над нагревательной печью непосредственно перед воздушным подогревателем. При этом открывается возможность повысить температуру газов на выходе из печи, что приводит к интенсификации нагрева металла; одновременно обеспечивается также надежная работа воздухоподогревателя.

Дополнительными преимуществами ЭТА являются снижение капитальных затрат при повышении эффективности работы в связи с ликвидацией подземных боровов большой протяженности, керамического рекуператора, отдельного здания для КУ. Имеется возможность более глубокого охлаждения газов в связи с установкой воздушного подогревателя в качестве замыкающей поверхности. Экономия топлива достигается за счет подогрева воздуха до высоких температур. Тепловой баланс печи имеет следующий вид:

, (31)

где M – массовое количество подогреваемого металла, кг/с; G_г и G_в – расходы продуктов сгорания и воздуха соответственно, м³/с; B – расход топлива на подогрев металла, м³/с; - теплота сгорания газа, МДж/м³; - теплоемкости воздуха газа, и металла соответственно, кДж/м³ и кДж/кг; t_в – температура подогретого воздуха, °С; t_г – температура продуктов сгорания на выходе из печи, °С; - температура металла на входе и на выходе из печи, °С.

Расходы продуктов сгорания и воздуха связаны с расходом топлива B соотношениями

; , (32)

где V⁰ – теоретически необходимое количество воздуха, м³/м³;  теоретический объем продуктов сгорания, м³/м³;  – коэффициент избытка воздуха. Подставляя указанные выражения в (31), получим выражение для расчета удельного расхода топлива на нагрев единицы массы металла

. (33)

Рис. 27. Схема ЭТА для нагрева металла и выработки энергетического пара:

1  Проходная печь для нагрева металла; 2  нагреваемый металл; 3  газовые горелки;

4  Котел-утилизатор; 5  испарительные поверхности нагрева; 6  пароперегреватель;

7  Барабан; 8  водяной экономайзер; 9  воздухоподогреватель

3.2. Энерготехнологическое комбинирование в целлюлозно-бумажной промышленности

При производстве целлюлозы широко применяют ЭТА, в которых осуществляется технологический процесс, сжигание так называемого черного щелока с восстановлением сульфата натрия. Одновременно в ЭТА вырабатывается водяной пар. Схема регенерации химикатов при производстве целлюлозы сульфатным способом [5] показана на рис. 28.

Древесная щепа поступает в варочный котел 1, в котором обрабатывается под давлением водяным паром в растворе едкого натрия NaOH и сульфида натрия Na₂S, известного под названием белого щелока. Во время варки лигнин древесины растворяется в щелоке. Целлюлозная масса отделяется от варочного раствора и после промывки в баке 9 направляется в очистительное устройство и бумагоделательные установки. Варочный раствор, отмытый от целлюлозной массы, образует так называемый черный щелок, имеющий влажность W₁ = 70 %. Для возврата в производство черный щелок, основными компонентами минеральной части которого являются Na₂S, NaOH и Na₂SO₄, подлежит регенерации. Для этой цели он упаривается в многокорпусной выпарной установке 8 до содержания влаги W₂ = 45 %. В каскадном испарителе 7 его влажность снижается до W₃ = 33 %.

В данной установке применен каскадный испаритель, который обогревается горячим воздухом с температурой 300 °С, поступающим из вращающегося регенеративного подогревателя 6. После каскадного испарителя упаренный черный щелок и воздух поступают в топку содорегенерационного агрегата 5. Перед подачей в топку черный щелок предварительно подогревается в подогревателе 3 до 110 °С. Нижняя часть топки ошипована и покрыта хромитовой массой. Жидкий щелок подается в специальные форсунки, установленные выше уровня пода примерно на 5 м. Форсунки качающиеся с грубым распылом. Размер основной массы капель составляет 3-5 мм. Крупные капли подсушиваются на лету горячими

Рис. 28. Энерготехнологический содорегенерационный агрегат

1 – варочный котел; 2 – установка каустизации; 3 – подогреватель; 4 – бак;

5 – содорегенерационный агрегат; 6 – регенеративный воздухоподогреватель;

7 – испаритель; 8 – выпарной аппарат; 9 – промывочный бак

дымовыми газами и падают на под, образуя горящий слой подсушенного щелока. Сгорание щелока происходит в двух зонах: частично в слое и частично в объеме. Основной процесс сушки и сгорания органических веществ происходит в объеме топки, расположенном между подушкой огарка и щелоковыми форсунками. В этом объеме интенсивно выделяется теплота, используемая для получения пара. В связи с этим большая часть первичного воздуха подается в объем, расположенный ниже уровня щелоковых форсунок. Во время сжигания щелока сложные органические вещества распадаются и сгорают с образованием СО₂, Н₂О и SО₂, а минеральные — выделяются в виде расплава, состоящего из Na₂CO₃ (80 %), и Na₂S (18 %), небольшого количества Na₂SO₄, NaOH и др.

Жидкий расплав с температурой около 1000 °С поступает в бак 4, в котором растворяется промывочной водой из установки каустизации, образуя так называемый зеленый щелок. В установке каустизации 2 зеленый щелок обрабатывается гашеной известью, в результате происходит реакция между карбонатом натрия и гидроксидом кальция по уравнению

Nа₂СОз + Са(ОН)₂ = 2NaOH + СаСО₃.

Сульфид натрия остается без изменения. Полученный белый щелок после отстаивания и промывки снова возвращается в производственный цикл.

Рис. 29.Однобарабанный содорегенерационный агрегат СРК-700:

1 – топочная камера с радиационными поверхностями нагрева; 2 – цельносварной под;

3 – защитный ширмовый фестон; 4 – двухступенчатый ширмовый пароперегреватель;

5 – экономайзер

Однобарабанный содорегенерационный агрегат СРК-700 (рис. 29) производительностью 700 т/сут абсолютно сухих веществ черного щелока рассчитан на параметры D = 27,7 кг/с, Р = 3,92 МПа и t_пп = 444 °С. Топочная камера полностью экранирована. Под 2 выполнен из сварных плавниковых панелей, являющихся продолжением переднего и заднего экранов. Удаление расплава происходит с помощью трех леток, установленных на фронтовой стене. На боковых экранах 3 размещены шесть механических форсунок для распыления черного щелока и вспомогательные мазутные горелки. Воздух для горения подается через три группы сопел. Компоновка котла П-образная, все конвективные поверхности нагрева 4 в ширмовом исполнении.

Паропроизводительность котла обеспечивает расход пара на варочный котел (D₁), на выпарную установку (D₂) и на подогреватель (D₃). Расходы черного щелока с влажностью W₂ и W₃ связаны с исходным расходом щелока G₁ при влажности W₁ соотношением

. (34)

При расходе черного щёлока G₁ при влажности W₁ затраты теплоты в выпарной установке для уменьшения влажности щёлока до значения W₂ составят

, (35)

где r – теплота парообразования, кДж/кг.

Затраты теплоты на подогрев черного щелока (после каскадного испарителя с влажность W₃) в подогревателе 3 составит

, (36)

где с_р – теплоемкость осушенного черного щелока;  разница температур после и до подогревателя (обычно до подогревателя 70 °С после подогревателя 110 °С).

Затраты теплоты на испарение во влагокаскадном испарителе, который обогревается горячим воздухом, составят

. (37)