Энергетика теплотехнологии как основа энергосбережения и реализации новых теплотехнологических процессов, модернизации действующих установок и систем

Энергосбережение, то есть сбережение теплоты и топлива, различных видов энергоносителей – один из важнейших факторов, стимулирующих дальнейший общий прогресс промышленного производства. Радикальное решение проблемы экономии и подъема эффективности использования топливно - энергетических ресурсов в промышленности возможно только на основе прогрессивных знерго- и ресурсосберегающх, экологически совершенных технологий и оборудования. Энергосбережение приобретает особо важное значение для отраслей промышленного производства, основанных на теплотехнологии, таких как производство теплоэнергии, чугуна и стали, строительных материалов и нефтепродуктов, цветных металлов, многих продуктов химии, целлюлозно-бумажной, легкой, машиностроительной и других энергоемких отраслей промышленности. Эти производства характеризуются большой энергоемкостью и часто низким уровнем полезного использования топлива, теплоты и других энергоносителей.

К числу конкретных мероприятий, способствующих решению стоящих задач, можно отнести: комплексное использование природных и материальных ресурсов с максимальным устранением потерь и нерациональных расходов; широкое вовлечение в хозяйственный оборот вторичных материальных и энергетических ресурсов; внедрение энергосберегающей и экологически чистой и совершенной техники и технологии; замена малоэффективного оборудования прогрессивным и высокопроизводительным.

Масштабы возможной экономии топлива в ТУ можно проиллюстрировать на примере промышленных печей с топливным источником энергии. Если представить возможность подъема среднего КПД промышленных печей, например только в 1,5 раза, тогда народное хозяйство получило бы экономию топлива в 20-25 раз превышающую плановую годовую экономию на тепловых электростанциях страны.

Снижение удельного расхода топлива в теплотехнологии – это не только важнейшее экономическое мероприятие для топливно-энергетического комплекса, но и путь снижения капиталоемкости теплотехнического оборудования (подогревателей компонентов горения, устройств внешнего теплоиспользования, систем очистки, переработки, транспорта топлива, его продуктов сгорания и др.), капитальных затрат и эксплуатационных расходов.

Снижение расхода топлива является также предпосылкой существенной нейтрализации вредного воздействия технологии на крупную среду.

Возможны различные подходы при решении поставленных задач. Весьма актуальным является подход, по которому изыскиваются наилучшие (оптимальные) пути на базе комплексного и одновременного учета всей совокупности взаимосвязанных проблем. Основой такого комплексного подхода в настоящее время является безотходная технология. Она открывает наибольшие возможности энергосбережения в теплотехнологии. В ее основу положен ряд принципов:

- технология обеспечивает комплексное и полное товарное извлечение всех компонентов сырья, полупродуктов, материалов (технология должна быть материалосберегающей);

- технология характеризуется наиболее низким уровнем теоретически необходимого общего энергопотребления, т.е. технология должна быть энергосберегающей;

- технология предусматривает наиболее низкий уровень расхода воды, т.е. должна быть маловодной;

- технология обеспечивает охрану окружающей среды, т.е. должна быть экологически совершенной.

- технология должна создавать благоприятные производственные условия, т.е. должна быть безопасной и легко управляемой.

Безопасная технология, как идеальная технологическая система, основанная на прогрессивных технологических процессах выступает сегодня как маяк всестороннего (технологического, энергетического, технического, экономического и экологического) прогресса всей совокупности производственных систем.

Реализация новых теплотехнологических процессов возможна только на базе энергосберегающих тепловых схем технологического процессса и на базе энергосберегающего оборудования. Направления, методы и способы поиска, практической реализации энергосберегающих тепловых схем и энергосберегающего оборудования формируется в рамках энергетики теплотехнологиии. Энергетика теплотехнологических процессов признана обеспечить для действующей и новой технологии разработку, исследование, отбор и внедрение:

-рациональных и новых источников энергии, формируемых на основе сравнительной технологической, теплотехнологической, экономической и экологической их оценки;

- эффективных способов и оборудования генерации теплоты, обеспечивающих глубокое рациональное согласование технологических условий с энергетическими и экологическими условиями.

- энергосберегающих тепловых схем, формирующих основу высокого энергетического совершенства высокотемпературных установок на базе глубоких разработок широкого набора вариантов организации теплоиспользования, освоения эффективных методов и технических средств

-прогрессивных теплотехнических принципов реализации технологических процессов, открывающих возможность повышения на один-три порядка интенсивность теплообмена, в теплотехнологических процессах.

- совершенных схем конструктивного оформления элементов и компановок теплотехнологических установок.

-оптимальных тепловых режимов эксплуатации и мероприятий глубокой энергетической модернизации высокотемпературных установок.

Таким образом, энергетика теплотехнологии, стимулируя разработку энергосберегающих технологий, обеспечивая формирование энергосберегающих тепловых схем и создания энергосберегающего оборудования, выступает как важнейшая составляющая научно-практической основы технической реализации новых теплотехнологических процессов и глубокой энергетической модернизации действующих теплотехнологических установок и систем. Поэтому энергетику теплотехнологии следует рассматривать как инструмент энергосберегающей политики в теплотехнологии.

Формирование и развитие энергетики теплотехнологии как новой области промышленной энергетики и как новой дисциплины, превращение ее в эффективный инструмент энергосберегающей политики требует организации подготовки соответствующих инженерных кадров, способных решать перечисленные задачи на основе комплексного подхода.

Вследствие этого инженеры энергетики должны отличаться:

- широкой межотраслевой подготовкой, позволяющей работать в различных отраслях промышленности.

-подготовленностью к разработке энергосберегающих тепловых схем и созданию энергосберегающего оборудования;

-способностью добиваться не только высокого КПД, но и эффективного использования топливно-энергетических ресурсов.

- комплексным подходом к решению задач на основе принципов безотходной технологии.

Структурная схема высокотемпературной теплотехнлологической установки

Наиболее общее представление о ВТУ дает ее структурная схема, в которой содержатся основные элементы установки и отражены существующие связи между ними. Одна из характерных разновидностей таких схем без системы автоматизированного управления и приборов которая показана на рисунке.

Рисунок – Структурная схема ВТУ

1 – исходные материалы;

2 – технологический продукт;

3 – компоненты горения;

4 – дополнительные исходные материалы;

5 – уловленный унос;

6 – выбивающиеся газы;

7 – отходящие газы;

8 – неочищенные газы;

9 –

10 –дополнительный продукт;

11 – очищенные уходящие газы.

Главным и обязательным элементом любой ВТУ является теплотехнологический реактор ТР, в объеме которого реализуются все ступени технологического процесса. В реактор подается технологическое сырье или полупродукты, в необходимых случаях вводится также восстановитель или окислитель или защитная газовая атмосфера контролируемого состава. В реактор не подводятся компоненты горения (топливо и окислитель топочного процесса) и эл. энергия, используемые для генерации теплоты, обеспечивающей необходимое изменение теплового состояния исходных технологических материалов.

Полученные в реакторе продукты теплотехнологического процесса в общем случае включают целевой и побочные продукты технологического процесса, технологические отходы, продукты побочного процесса. Продукты и отходы технологического и топочного процессов покидают ТР либо разделенными потоками, либо перемешиваются, образуя отходящие газы ВТП, шлаковые отходы ВТП; унос ВТП, состоящий из уноса технологических материалов в реакторе и выход из него продуктов и отходов процесса.

В тех случаях, когда глубокое охлаждение, горение топлива, продуктов и отходов ТП в переделах ТР невозможно или экономически нецелесообразно, предусматривается их дальнейшая переработка в устройствах дополнительного теплоиспользования.

На рисунке показаны два типа таких устройств: регистративный подогреватель компонентов горения за счет теплоты отходящих газов (РПКГ)_ог и устройство внешнего использования теплоты отходящих газов (УВТ)_ог. В (РПКГ)_ог теплота отходящих газов передается компонентам горения (топливу и окислителю) и с ними возвращается (регенерируется) в ТР. В (УВТ)_ог теплота утилизируется в ТП, температурный уровень которого ниже ВТП, реализуемого в ТР. На рис. (РПКГ)_ог и (УВТ)_ог включены последовательно в указанном порядке. На практике широко применяется и обратная последовательность их включения; возможно также схемы параллельного включения (РПКГ)_ог и (УВТ)_ог .

За редким исключением отходящие газы ВТУ содержат значительное количество примесей, выброс которых в окружающую среду недопустим. Поэтому в структурную схему ВТУ включена система аппаратов газоочистки ГО. На схеме аппарата газоочистки ГО. На схеме аппарата газоочистки расположены после (РПКГ)_ог и (УВТ)_ог как это имеет место в современных ВТУ. Такое включение ГО обеспечивает повышенную эксплуатационную стойкость этих аппаратов и эфективное улавливание в них примесей, однако при этом поверхности теплообмена (РПКГ)_ог и (УВТ)_ог не защищены от воздействия на них примесей отходящих газов.

Отходящие газы, охлажденные в (РПКГ)_ог и (УВТ)_ог очищенные от примесей в аппаратах ГО, выбрасываются в атмосферу через дымовую трубу ДТ. Самотяга ДТ и давление дымососа Д обеспечивают преодоление аэродинамического сопротивления элементов структурной схемы, расположенных после ТР. Если в последнем поддерживается высокое давление, то дымосос в схеме ВТУ обычно не предусматривается.

Компоненты горения, основное и дополнительное сырье перед вводом их соответственно в (РПКГ)_ог ,ТР, и (УВТ)_ог обычно проходят целенаправленную подготовку, которая осуществляется в специальных устройствах подготовки компонентов горения УПКГ и исходных материалов УПИМ. К числу процессов подготовки топлива и окислителя относятся смешение различных топлив, смешение атмосферного воздуха и технического О₂, сортировка кускового топлива 2-го размола и обогащение, термическая подготовка топливо и окислителя осуществляется в так называемых автономных подогревателях.

Предусматриваются также целенаправленная подготовка используемойв ВТУ электроэнергии. Для этого в структурной схеме имеется преобразователь ПЭЭ. Во многих случаях перечисленные процессы подготовки компонентов горения и технологического сырья выносятся из структурной схемы ВТУ, т.е. осуществляется в рамках теплотехнологической системы для комплекса.

Элементы ВТУ связаны между собой коммуникациями воздухо – газопроводами, мазутопроводами, дымовыми боровами, транспортерами сырья, твердого топлива и продуктов ТП, водопроводами, паропроводами и т.п.

Элементы конструктивной схемы теплотехнологического реактора.

Все разнообразие конструктивных схем теплотехнологических реакторов формируется из ограниченного числа элементов и деталей, главные из которых показаны на рис.

Рисунок 1. Конструктивная схема теплотехнологического реактора

Фундамент 1 (подземная часть конструкции) воспринимает нагрузку теплотехнологического реактора и находящихся в нем материалов и передает ее на основание (массив) грунта. При расчете фундамента помимо статической, учитывается и динамическая нагрузка, возникающая при загрузке сырьевых материалов и их перемещения в рабочем пространстве. Площадь основания фундамента должна обеспечивать давление на грунт, не превышающего допустимого предела (около 250 кПа). Глубина заложения фундамента зависит от воспринимаемой нагрузки, свойств грунта, уровня грунтовых вод и глубин промерзания почвы (если ТР сооружается на открытом грунте). От верхнего строения ТР фундамент необходимо теплоизолировать так, чтобы его температура не превышала 200°С ̊. В ряде случаев последние требования удовлетворяют за счет принудительного охлаждения поверхности ограждения ТР.

В зависимости от геометрических параметров ТР, степени заполнения его объема, технологическим материалом, расположения материала и ряда др. факторов применяют сплошной массивный фундамент (например, для ТР шахтного типа, рабочее пространство которых практически полностью заполнено материалами) или сплошной фундамент (для ТР, у которых хотя бы один линейный размер основания во много раз превышает высоту рабочего пространства). Применяются еще ленточные и столбовые фундаменты (рис1.). Каркас ТР воспринимает и передает на фундамент силу воздействия массы ТР и находящихся в нем материалов. Элементы каркаса воспринимают также усилия со стороны обмуровки, возникающие вследствии ее термического расширения. На каркас крепятся арматура и гарнитура, топливосжигающие устройства, воздуховоды, газопроводы, площадки обслуживания и т.п.

Различают рамный и листовой каркасы. Основные элементы рамного каркаса (рис.1): колонны 2.1., поперечные связи 2.2, продольные связи 2.3 и 2.4. Листовой каркас, выполняющий функции наружного герметизирующего слоя обмуровки, изготовляется из стальных листов б=4,0 мм и более.

Температура всех элементов каркаса должна быть <200С ̊. Они могут быть водоохлаждаемыми (как например 2.5) и теплоизолированными.

Обмуровка реактора обеспечивает герметизацию и теплоизоляцию его от окружающей среды в течении всей рабочей компании ВТУ. Она должна обладать высокой строительной прочностью. Быть стойкой к воздействию на нее высоких температур, механического и химического воздействия на нее твердых, жидких и газовых сред, перемещаемых в реакторе.

Различают три конструктивных элемента обмуровки (рис.1.): свод 3.1, стены 3.2. подину 3.3. В обмуровке ТР предусматривается ряд отверстий для ввода в рабочее пространство компонентов горения и технологического сырья и вывода из нее отходящих газов и продуктов технологического процесса, а также гляделки для визуального контроля за ходом процесса, каналы для ввода датчиков системы контроля и автоматического управления процессом и др.

Широкое применение нашли три разновидности обмуровок: кирпичная кладка, монолитная футеровка, горнисажная обмуровка. Первые две могут быть как однослойные, так и многослойные.

Однослойная кирпичная кладка выполняется либо из плотного огнеупорного кирпича (тяжелая кладка), либо из теплоизоляционного кирпича (например, огнеупорного легковеса). Тяжелая кладка обладает повышенной стойкостью к механическим воздействием движущихся в рабочем пространстве сред, но имеет плохие теплоизоляционные свойства из-за высоко плотных огнеупоров. Кладка из теплоизоляционных кирпичей обеспечивает хорошую теплоизоляцию, но обладает плохой стойкостью к воздействию сред рабочего пространства.

В многослойной футеровке, каждый слой выполняет преимущественно одну функцию, а все слои в совокупности обеспечивают эффективное решение всех задач, стоящих перед кладкой, первый слой (защитный) обеспечивает высокую стойкость к воздействию среды за счет применения высокоплотных огнеупоров. 2-й слой (огнеупорный) решает ту же задачу, что и первый слой, но в более легких условиях, что позволяет применять менее дорогие огнеупоры. Назначение третьего слоя – создание повышенного термического сопротивления в высокотемпературных зонах ограничения; 4 слой решает ту же задачу, в низкотемпературной зоне (выполняется из теплоизоляционных материалов). 5 слой обеспечивает газоплотность кладки и выполняется из стальных листов.

Кирпичная кладка выполняется на мертельным растворе с помощью которого отдельные кирпичи скрепляются друг с другом. Кирпичную кладку, работающую в наиболее тяжелых условиях, выполняют без мертельного раствора, всухую, на тонком порошке из огнеупора, с тщательным притиранием стыкующих кирпичей (для увеличения стойкости в механическом и химическом воздействии технологических материалов.)

При возведении кладки ВТУ используется различные разновидности сводов технологическоих реакторов (рис3.)

Распорный свод – самонесущая конструкция из отдельных кирпичей, сила воздействия массы которой на основание свода и пяту 1 через подпятовую балку 2 и колонну 3 передаются на фундамент. Распорный свод выкладывается полностью или частично из специальных сводовых кирпичей клиновидной формы. Пролет распорного свода ограничен допустимыми механическими напряжениями сжатия его элементов и обычно не превышает 3м, в отдельных случаях доходя до 9м.

В распорно-подвесном своде часть нагрузки воспринимается, как в распорном, а часть- подвесном 1 и передается на колонны каркаса через раму 2; Это позволяет существенно увеличить предельные размеры пролета свода. В распорно- подвесном своде из магнезитохромистовых кирпичей их сцепление обеспечивается с помощью стальных пластин, поверхность которых благодаря наличию на них окадного слоя прочно сцепляется с поверхностью кирпичей; пластины имеют штыри 4, входящие в углубление кирпичей.

Нагрузка подвесного свода полностью воспринимается подвесками 1 и через балки 2 передается на колонны каркаса 3, поэтому в этом случае размер пролета не зависит от напряжений, возникающих в кирпичах. Чаще всего встречаются плоские подвесные своды. К недостаткам подвесных сводов, ограничивающих область их применения, относятся: необходимость в специальном фасонном кирпиче, большой расход металла, большие потери тепла через свод из-за отсутствия тепловой изоляции.

Конструкция кирпичной кладки стен реактора зависит от его высоты. При небольшой высоте толщина стен определяется оптимальным уровнем их термического сопротивления, так как толщина футеровки в нижнем сечении должна быть не < бн=(qоg-0/1)H_ст, то с увеличением Нстен толщина обмуровки бн выбирается с участием этого условия. С ростом Нстен увеличивается напряжение снятия в нижних кирпичах кладки, При Нстен > 3-5м толщины бн, обеспечивающие напряжение сжатия не выше допустимого

Значения, становятся большими, поэтому в стенах большой высоты предусматривают разгрузочные пояса-несущие металлические конструкции, воспринимающие нагрузку выше напряженного участка стены. Их устраивают через 3-5 метров высоты. Это обеспечивает умеренную толщину стены и организации температурных швов, позволяющих кладке расширяться в горизонтальном направлении. В кирпичной кладке предусматриваются и вертикальные температурные швы для свободного термического расширения в вертикальном направлении. Для повышения газоплотности они выполняются по схеме зигзаг и уплотняют их асбестом.

Наряду с кирпичной обмуровкой применяются обмуровки из огнеупорных монолитных бетонных плит, блоков, матов. Они обеспечивают повышенную газоплотность, однако эксплуатационная стойкость ниже. Поэтому они применяются при умеренных температурах в реакторе и отсутствии _____.

Огнеупорные футеровки разрушаются под воздействием расплавленных материалов. Более стойкими при контакте с расплавом являются гарнисажные обмуровки. Различают чисто гарнисажные обмуровки и гарнисажные обмуровки с огнеупорной набивкой (рис.4). в 1 случае обмуровка состоит из единовспененного элемента – металической кассонированной обшивки 1, через которую пропускается вода (охлаждение), обеспечивающее низкую температуру стенки, ограждающей рабочее пространство. При контакте такой стенки с расплавом на ней образуется гарнистен, состоящий из слоя 2 затвердевшегося материала, слоя 3 пластичного материала и пленки 4 стелящего расплава.

Существенный недостаток таких обмуровок – плохое сцепление слоя 2 с окнами дасмост металл, поверхностью, отдельные участки которой могут периодически оголяться. Это при высокой температуре в реакторе может привести к их прогару, в гарпластных обмуровках 2-го типа этот недостаток устранен за счет обеспечения прочного сцепления огнеупорной набивки 2'с ошипованной металлической поверхностью. Основной недостаток всех герметичных обмуровок – высокое значение тепловых потерь через ограждение, на 2-3 порядка больше, чем через кирпичную кладку.

Помимо гармоничных обмуровок реактор имеет водоохлаждающие трубы 2.5 (рис 2.2), служащие опорой для нагревающих заготовок и обеспечивающие 2-х сторонний нагрев заготовок.

Реактор имеет (рис.1) устройства 4.1 для ввода в рабочее пространство технологического сырья, 4.2. для ввода компонентов горения, 5.1 для вывода из рабочего пространства продуктов технологического производства и 5.2 для вывода продуктов топочного процесса.

Дата добавления: 2014-12-08