Модернизация теплотехнологии сушки песка

Размещено на http://www.allbest.ru/

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время энергосбережение стало одним из приоритетных направлений экономической политики правительства РБ. Здесь важную роль играет рационализация тепло- и электроснабжения городов и отдельных предприятий, в том числе усиление теплофикации на базе теплодвигательных установок (ТДУ). Указанное обстоятельство необходимо учитывать при проведении модернизации теплоэнергетических и теплотехнологических систем.

Энергосбережение и повышение энергоэффективности обеспечения всех сторон деятельности дает целый ряд преимуществ: снижение себестоимости и, как следствие, повышение конкурентоспособности продукции, что увеличивает для предприятия вероятность "выжить", дает дополнительные средства для развития, наконец, позволяет повысить занятость населения.

Другой характерной чертой промышленного производства можно отметить существенные затраты энергии сверх теоретически необходимых, практически во всех отраслях, где, собственно, и происходит конечное использование энергии.

В Республике Беларусь проблема эффективного энергоиспользования имеет особое звучание, что объясняется рядом объективных и субъективных факторов:

обеспеченность собственными энергоресурсами на 10%;

развитая промышленность, структура которой, что сложилось исторически в период энергетического изобилия, не учитывает дефицит энергоресурсов в стране;

устаревшее, нерациональное энергообеспечение существующих технологий;

изжившие себя, в принципе, технологии.

В дипломном проекте рассматривается рационализация теплотехнологии сушки песка в цеху ковкого и серого чугуна на ОАО «Минский завод отопительного оборудования». Производство цеха представляет собой высоко механизированный, энергонасыщенный технологический процесс.

Здесь сосредоточены наиболее энергоемкие (по энергоемкости чугун занимает достаточно высокое положение и составляет 1104-2104 МДж/т), а значит и интересные с точки зрения энергетического аудита, теплотехнологические установки. Это, прежде всего туннельная печь, сушилка песка, вагранки. В проекте описана технология производства изделий из чугуна в литейном цеху. Кратко описаны основные технологические процессы и особенности на каждом производственном участке.

1. ОПИСАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА

Продукция цеха насчитывает около 200 наименований. В ЛЦКСЧ производятся соединительные части трубопроводов, замки и корпуса цилиндров, комплектующие для радиаторов, чугунные отливки отопительных котлов, муфты, тройники, контргайки и др.

В состав цеха входят следующие участки:

- плавильный участок,

- участок сушки песка,

- склад шихтовых и формовочных материалов,

- смесеприготовительный ,

- стержневой,

- формовочный,

- участок заливки форм,

- термообрубной,

- механический.

Основным теплоиспользующим оборудованием является:

- вагранки,

- сушилка песка,

- печь отжига.

В качестве сырья применяют металлическую шихту. Дополнительно используется кокс, силикомарганец, известняк, плавиковый концентрат, феррофосфат, ферросилиций. Плавка чугуна производится в вагранках производительностью 8 т/час.

Предварительно подготовленные материалы подаются в суточные расходные бункеры, откуда и производится подача необходимого количества шихты и кокса. Постоянно работает одна вагранка. Расплавленный чугун из вагранок выпускается в разливочные ковши, откуда на участке разливки чугун заливается в литейные формы. Формы изготавливаются на формовочном участке. Для сушки песка используется установка для сушки в кипящем слое, производительностью 5 т/ч, работающая на природном газе. Песок после сушки просеивается на полигональном сите и посредством тарельчатых питателей и ленточных конвейеров подается на формовочный и стержневой участок.

В складу шихтовых и формовочных материалов основным оборудованием является кран мостовой опорный магнитогрейферный (Q=5 т), также здесь расположены бункеры с металлическими и неметаллическими материалами (чушковый чугун, кокс литейный, возврат производства, лом, ферросилиций, песок, доломит, известняк). На участке производитя разгрузка составляющих металлической шихты в закрома для складирования из полувагонов, платформ, автомашин, загрузка составляющими шихты суточных бункеров плавильного участка из закромов, отбор из площадки разбора провала вагранки металлического скрапа в суточные бункера, погрузка крупногабаритных отходов в автомашины для вывоза из цеха.

На плавильном участке используются вагранки коксовые холодного дутья, со стационарным копильником, с внутренним диаметром по оси фурм 1100мм и рабочей высотой 4800мм, однорядные, с пятью фурмами сечением 150х100мм, оборудованные системой водяного охлаждения открытого типа, системой грануляции шлака производительностью 8 т/час. Предварительно подготовленные материалы подаются в суточные расходные бункеры, откуда и производится подача необходимого количества шихты и кокса. Постоянно работает только одна вагранка. Газовая горелка, расположенная в районе загрузочного окна, во время плавки должна быть постоянно включена и обеспечивать дожигание газообразных продуктов горения. Шахта вагранки должна быть заполнена шихтой до уровня загрузочного окна (контролируется специальным водяным манометром).

На смесеприготовительном участке исходными материалами являются кварцевый песок, крепитель М3, смола фенолоформальдегидная. Смешение всех компонентов происходит в бегунах. Разгрузка бегунов происходит через дверцу в кюбель. Физико-механические свойства стержневых смесей проверяются через каждые 40-50 мин. в земельной лаборатории цеха. Зацепив кюбель крюком электротельфера рабочий поднимает на загрузочную площадку над стержневыми машинами и управляя электротельфером с помощью пульта осуществляет подъем и установку кюбеля на электрическую тележку, находящуюся на загрузочной площадке, с помощью которой производит загрузку бункеров первого ряда стержневых машин.

Участок изготовления стержней в нагреваемой оснастке должен быть оборудован системой приточно-вытяжной вентиляции. Для приготовления стержневой смеси используются бегуны 1А11. Цикл приготовления 4-5 мин. Работа на стержневой машине допускается при давлении сжатого воздуха в сети не ниже 0,6 МПа (6 кг/см2) с температурой нагрева ящика 245-270 оС при включенной вытяжной вентиляции. В начале производится смазка разделительной смесью рабочих поверхностей ящиков, затем краном подводится насадка к бункеру для наполнения стержневой смесью. После этого происходит подвод насадки к ящику и автоматически происходит поджим ящика к вдувной плите и отжим ящика от плиты. Время сушки стержня зависит от его типоразмера, определяется визуально по мере подсыхания стержневой смеси во вдувных отверстиях ящика.

Формовочный участок:

формовочная смесь должна выдерживать механическое и тепловое воздействие жидкого металла. Приготовление формовочной смеси производится в бегунах мод. 115, ориентировочная производительность одних бегунов 30 т смеси в час. Каждые из трех бегунов имеют пульты управления. Затем происходит изготовление литейных форм на формовочных машинах модели 91226 Б, сборка форм и выбивка отливок после заливки форм.

На термообрубном участке происходят погрузочно-разгрузочные работы, отбор литья (белый чугун идет далее на обработку), выбивка и очистка в проходном барабане, зачищенные соединительные части и отливки подаются в бадьях-кувырках в механическое отделение для механической обработки, обнаждачивание фитингов на полуавтомате МАИ и на станках.

Перед механической обработкой отливки с литейными дефектами, которые можно исправить улаживают в отдельную тару и отправляют в обрубной участок для исправления методом очистки или обрубки по действующим технологическим процессам. Отливки, в которых дефекты превышают числовые значения в вышеуказанных пунктах, а также отливки, не имеющие конфигурации, формы и тела, соответствующие нормам точности по чертежу отливки, улаживают в тару с «браком» и предъявляют контролеру ОТК.

Отжиг литья производится в туннельной печи проходного типа, работающей на природном газе.

2. ТЕПЛОВОЙ РАСЧЕТ ПЕЧИ ОТЖИГА ЧУГУНА

2.1 Исходные данные для расчета

- производительность печи - P=7000 т/год;

- температура отжига - tоп=980 оС;

- топливо - природный газ;

- низшая рабочая теплота сгорания топлива - =35,59 МДж/м3;

- время пребывания вагонетки в печи - 43,2 ч;

- температура окружающей среды - tос=25 оС (летний период);

- режим работы печи - непрерывный;

- годовой фонд времени - Tгод=7884 ч;

- отжиг изделий производится в чугунных горшках;

- размеры горшков:

а) диаметр наружный - 650 мм;

б) высота - 600 мм;

в) емкость - 535 кг;

г) вес горшка - mгорш=470 кг.

Садка изделий на вагонетку: изделия обжигаются в горшках, которые устанавливаются на печные вагонетки. На вагонетку помещаются N = 4 горшка, в один ряд по высоте. Вес изделий на вагонетку - 2,14 т.

2.2 Определение размеров печи

Количество вагонеток, выдаваемых печью в год:

вагонеток/год;

вагонеток/сутки.

Количество вагонеток в печи:

вагонеток.

Темп выдачи вагонеток: ч или 2 часа 24 мин.

Длина вагонетки равна 1,7 м, отсюда длина печи - 181,7=30,6 м. разбиваем печь на зоны:

- в зоне подогрева - 5 вагонеток;

- в зоне отжига - 7 вагонеток;

- в зоне охлаждения - 6 вагонеток.

2.3 Описание конструкции печи

Печь устанавливается вне здания. Для укрытия печи предусматривается навес шириною 7 м. Печные вагонетки подаются под загрузку по обгонному пути, расположенному в здании цеха. Для передвижения вагонеток по обгонному пути предусмотрен конвейер. Нагруженная вагонетка устанавливается на передаточную тележку, которая подвозит вагонетку к печи.

На рельсовом пути перед печью устанавливается подаватель, который подает вагонетку в форкамеру печи.

Подача вагонетки в печь и проталкивание всего состава вагонеток через печь осуществляется гидравлическим толкателем, расположенным под рельсовым путем в начале печи.

Выходящая из печи вагонетка устанавливается на передаточную тележку, которая перевозит вагонетку в цех на разгрузку.

Входной и выходной концы печи закрываются подъемными дверями с гидравлическим приводом. Подъемные двери при опусканиях устанавливаются на футеровку вагонетки.

Для того чтобы во время заталкивания вагонетки не нарушался аэродинамический режим в печи, перед печью устанавливается форкамера. Она также закрывается подъемной дверью с гидравлическим приводом.

Внутренняя кладка печи выполняется из шамотного кирпича толщиною 350 мм. В качестве изоляционного кирпича применен шамотный легковес =1300 кг/м3 толщиною 230 мм и диатомовый кирпич - 115 мм. Наружная кладка толщиною 120 мм из красного кирпича.

Свод туннельной печи - арочный.

Под печью имеется контрольный коридор, который служит для осмотра металлической части вагонеток и песочного затвора.

Печь работает на природном газе. Ввод газа осуществляется через восемь пар горелок. Горелки расположены по обеим сторонам печи, на стыках вагонеток 5-6, 6-7, 7-8, 8-9, 9-10, 10-11, 11-12 и 12-13.

К горелкам предусмотрена подача теплого воздуха из зоны охлаждения. Отвод теплого воздуха из этой зоны производится на стыке вагонеток 14-15, т.е. на расстоянии двух вагонеток от последней пары горелок. Отбор теплого воздуха из зоны охлаждения и подача его к горелкам зоны отжига осуществляется центробежным вентилятором высокого давления, этим же вентилятором подается воздух на разбавление продуктов горения.

Часть воздуха из зоны охлаждения будет попадать по туннелю печи в зону отжига и участвовать в процессе горения газа.

Для охлаждения обожженных изделий в зону охлаждения подается воздух через три пары окон, расположенных на стыке вагонеток 16-17, 17-18 и в конце 18 вагонетки. Для подачи воздуха в печь через указанные окна принят центробежный вентилятор.

Продукты горения природного газа проходят по туннелю печи в направлении противоположном движению вагонеток через зону подогрева и отводятся из печи через четыре пары окон, расположенных в стенах печи на стыке вагонеток 1-2, 2-3, 3-4 и в начале вагонетки 1. Отвод продуктов горения из печи осуществляется посредствам вентилятора.

Продукты горения через дымовую трубу диаметром 1000 мм и высотой 30 м выбрасываются в атмосферу. Схему потоков туннельной печи см. рис.3.2.

Строительные конструкции навеса над печью представляют собою ряд поперечных рам, состоящих из стоек с шагом в среднем 5 м и поперечных балок по стойкам. По рамам установлены прогоны из С14 с шагом 1,2 м, покрытые волнистыми асбоцементными плитами.

Крайние пролеты навеса раскреплены крестовыми вертикальными связями в пределах стоек и горизонтальными в пределах поперечных балок.

Стойки каркаса шатра устанавливаются рядом со стойками каркаса печи на расстоянии 50 мм от кладки печи.

Фундаменты туннельной печи спроектированы в виде сплошной монолитной плиты, армированной двумя сетками.

2.4 Определение расхода и потерь теплоты по участкам

Для расчета длина печи и соответственно кривая обжига и охлаждения разделены на пять участков по таблице 2.1.

Таблица 2.1 - Разделение печи на участки

№ участков	Интервалы температур	Длина участков, м	Количество позиций
1	600-800	5,1	3
2	800-980	3,4	2
3	980	11,9	7
4	980-880	3,4	2
5	880-700	6,8	4



Рисунок 2.1 - Температурный график печи

При определении расхода теплоты рассчитываем по отдельным участкам расход теплоты на нагрев материала и горшков, потери теплоты в окружающую среду через стены и свод печи, а также через нижнюю поверхность вагонеток. Кроме того подсчитывается количество теплоты, аккумулируемое футеровкой и уносимое отходящими из печи дымовыми газами.

Потери и расход теплоты:

а) расход теплоты на нагрев материала и горшков и количество тепла, выделяемое материалом, определяется по формуле:

(2.1)

(2.2)

(2.3)

где - часовая расход по материалу, кг/ч;

- вес горшков, выходящих из печи за один час, кг/ч;

- конечная средняя теплоемкость материала на данном

участке, кДж/(кг оС);

- конечная температура материала на участке, оС;

- начальная теплоемкость материала на данном участке, кДж/(кг оС);

- начальная температура материала на участке, оС;

кг/ч,

кг/ч.

Значения теплоемкости материала при различных температурах выбираем из таблиц [3]: кДж/(кг оС), кДж/(кг оС), кДж/(кг оС), кДж/(кг оС), кДж/(кг оС).

Результаты расчета сведены в таблицу 3.2.

Таблица 2.2 - Количество теплоты, расходуемое на нагрев (+) или выделяемое при охлаждении изделий и горшков (-) по отдельным участкам

№ уч.	Интервалы температур, оС	Формула	Qмат+гор, кДж/ч	Qмат+гор, кВт
1	600-800	= =	902115	+250,6
2	800-980		260988	+72,5
3	980	-	-	-
4	980-880		149901	-41,6
5	880-700		269353	-74,8

Таким образом, на нагрев материала в печи расходуется 323,1 кВт, отдается в зоне охлаждения - 116,4 кВт. Расчет количества теплоты уходящего из печи от изделий и от горшков по формуле:

(2.4)

- от изделий (кДж/ч) или 112,5 (кВт);

- от горшков (кДж/ч) или 99 (кВт).

б) расчет потерь теплоты в окружающую среду

потери теплоты в окружающую среду через стены и свод печи определяются по формуле:

, кДж/ч (2.5)

где k - общий коэффициент теплопередачи через стенку

или свод печи, Вт/(м2K);

F - поверхность теплоотдачи стен или свода печи на участке, м2;

tср - средняя температура внутренней поверхности печи, оС;

tн - температура окружающего воздуха, оС.

(2.6)

где и - толщина отдельных слоев или свода печи, м;

и - коэффициент теплопроводности отдельных слоев стен или свода печи при средней температуре слоя, Вт/(мK);

- коэффициент теплоотдачи от наружной поверхности стены или свода печи в окружающую среду, Вт/(м2K). принимаем равным 23,26 Вт/(м2K) (печь устанавливается на улице) [6].

Температуру окружающего воздуха принимаем 25 оС, т.е. расчет ведем в летний период времени.

При расчете потерь теплоты через стены высота последних в среднем для наружной и внутренней поверхности принимается равной 1,2 м. Ширину свода для расчета принимаем 2 м.

Температуру внутренней поверхности стенки печи принимаем равной 1000 оС. При расчете температуры крайних поверхностей слоев (кроме 1000 оС) вначале задаемся, а затем проверяем по дальнейшему расчету. Выбранный тип кладки, стенки и распределение температур по ее толщине, а также коэффициенты теплопроводности при этих температурах приводятся в таблице 2.3.

Таблица 2.3 - Тип кладки и распределение температур по ее толщине.

№ п/п	Материал кладки	Плотность материала , кг/м3	Толщина кладки, м	Температуры крайних поверхностей слоев, оС	Принимаемая средняя температура слоя, оС	, Вт/(мK)
1	Шамотный кирпич	1900	0,350	1000 789	895	1,26
2	Шамотный легковес	1300	0,232	789 543	666	0,72
3	Диатомовый кирпич	700	0,115	543 229	386	0,28
4	Красный кирпич		0,120	229 58	144	0,54

Определение коэффициента теплопроводности материалов кладки:

Вт/(мK) (2.7)

По формуле 2.7 рассчитываем:

Вт/(мK),

Вт/(мK),

Вт/(мK) по [6],

Вт/(мK).

Коэффициент теплопередачи от рабочего пространства печи через кладку стенки в окружающую среду по формуле (2.6):

Вт/(м2K).

Удельный тепловой поток от рабочего пространства печи через кладку стенки наружу определяем по формуле (2.5):

Вт/м2.

Температура на стыке слоев кладки:

(2.8)

Температура на стыке шамотного кирпича с шамотным легковесом:

оС,

оС,

оС,

оС.

Проверка. Температура на наружной поверхности стенки равна

 оС.

Выбор конструкции стен производится таким образом, чтобы в зоне максимальных температур на наружной поверхности стенки температура

была не более 60 оС. Выбор типа кладки стен и свода на других участках ведется по такому же расчету. Для подсчета потерь через кладку на всей длине печи составим таблицы 2.4 и 2.5, в которые вносим все результаты расчета. Согласно температурного графика расчет потерь ведем по средним температурам на участках.

Таблица 2.4 - Потери теплоты через стены печи

№ п/п	Длина участка, м	Интервал температур, оС	, оС	Конструкция стены печи	, Вт/(мК)	, Вт/(м2)	, Вт/(м2K)	F (две стены), м2	qст, Вт/м2	Qст, Вт
				Материал	Толщина, м
1	5,1	600-800	700	Шамотный кирпич Диатомовый кирпич Красный кирпич	0,350 0,232 0,120	1,1 0,259 0,494	23,26	0,614	12,25	494	6052
2	3,4	800-980	890	Шамотный кирпич Шамотный легковес Диатомовый кирпич Красный кирпич	0,350 0,232 0,232 0,120	1,199 0,709 0,256 0,509	23,26	0,743	8,15	669	5452
3	11,9	980	980	Шамотный кирпич Шамотный легковес Диатомовый кирпич Красный кирпич	0,350 0,232 0,232 0,120	1,264 0,726 0,284 0,539	23,26	0,784	28,6	784	22422
4	3,4	980-880	930	Шамотный кирпич Шамотный легковес Диатомовый кирпич Красный кирпич	0,350 0,232 0,232 0,120	1,227 0,714 0,259 0,522	23,26	0,715	8,15	715	5827
5	6,8	880-700	790	Шамотный кирпич Диатомовый кирпич Красный кирпич	0,350 0,232 0,120	1,147 0,279 0,502	23,26	0,705	16,3	571	9307

Таблица 2.5 - Потери теплоты через свод печи

№ п/п	Длина участка, м	Интервал температур, оС	, оС	Конструкция свода печи	, Вт/(мК)	, Вт/(м2)	, Вт/(м2K)	F (две стены), м2	qст, Вт/м2	Qст, Вт
				Материал	Толщина, м
1	5,1	600-800	700	Шамотный кирпич Диатомовый кирпич Засыпка диатомовой крошкой Красный кирпич	0,230 0,115 0,09 0,065	1,1 0,3 0,22 0,49	29,1	0,859	10,2	613	6253
2	3,4	800-980	890	-/-	-/-	1,2 0,33 0,17 0,5	29,1	0,819	6,8	744	5061
3	11,9	980	980	-/-	-/-	1,3 0,35 0,2 0,5	29,1	0,884	23,8	884	21039
4	3,4	980-880	930	-/-	-/-	1,2 0,35 0,19 0,5	29,1	0,864	6,8	821	5583
5	6,8	880-700	790	-/-	-/-	1,163 0,33 0,17 0,49	29,1	0,807	13,6	654	8894

в) аккумуляция теплоты футеровкой вагонетки в зонах подогрева и обжига печи (с первой по двенадцатую позицию включительно).

Определим среднюю температуру верхней поверхности футеровки вагонетки за время пребывания ее в зонах подогрева и обжига по формуле:

где t1, t2, t3, t4, t5 - температура печи по температурному графику, оС;

n1, n2, n3, n4 - количество вагонеток данного участка.

Характеристика футеровки вагонетки в рассматриваемом участке печи приводится в таблице 2.6.

Таблица 2.6 - Футеровка вагонетки

Материал кладки	Толщина кладки сверху вниз, м	Температуры верха и низа, оС	Принимаемая средняя температура tср, оС	, Вт/(мK)	C кДж/ (кгK)	a10-5, м2/ч
Шамотный кирпич	0,07	800 750	775	1,193	1,05	215
Шамотный легковес	0,14	750 593	672	0,726	1,02	197
Диатомовый кирпич	0,14	593 165	379	0,279	0,925	155
Засыпка шамотная	0,03	165 100	133	0,392	0,85	139

Коэффициенты теплопроводности материалов футеровки определяем по графикам из [6]. Коэффициент теплопроводности для шамотной засыпки принимаем на 50% меньше, чем шамотного кирпича с =1900 кг/м3 при соответствующей температуре.

Аккумуляция теплоты футеровкой вагонетки при прохождении ее через зоны подогрева и обжига является нестационарным процессом, поэтому для определения ее применяем метод конечных разностей.

Интервал времени через который необходимо определять температуру на участках, находится в следующей зависимости от толщины принимаемого нами участка и его температуропроводности:

(2.9)

где - интервал времени, ч;

- толщина слоя футеровки, м;

a - коэффициент температуропроводности слоя, м2/ч.

Принимая за толщину участка толщину основного слоя - шамотного кирпича, получаем по формуле (2.9):

ч.

Определяем эквивалентные толщины слоев футеровки:

м,

м,

м.

Для определения эквивалентной толщины участка , кроме теплопроводностей, учитывается и температуропроводность:

 (2.10)

где и - коэффициент теплопроводности соответственно основного и эквивалентного участков, Вт/(мK);

a и a1 - коэффициент температуропроводности соответственно основного и эквивалентного участков, м2/ч.

Определяем эквивалентные толщины участков:

м,

м,

м.

Количество участков в каждом эквивалентном слое:

участка,

участка,

участок.

Таким образом, средняя часть футеровки вагонетки по высоте делится для данного расчета на шесть участков. Время пребывания в печи 43,2 ч. рассчитаем время пребывания материала в зонах подогрева и отжига:

ч.

Количество участков времени:

участков.

В каждом промежутке времени определяем температуру на всех участках по методу конечных разностей. На поверхности футеровки температура берется по температурному графику через указанные интервалы времени.

Результаты расчета распределения температур в футеровке вагонетки в период пребывания ее в зонах подогрева и отжига представим в таблице 3.7:

Таблица 2.7 - Температура на разных расстояниях от поверхности слоя футеровки в зоне подогрева и отжига

№ участка	Продолжительность пребывания вагонетки от момента поступления в печь, ч	Температура на различных расстояниях от верхней поверхности данного слоя футеровки, оС
		Шамотный кирпич	Шамотный легковес	Диатомовый кирпич	Шамотная засыпка
		0	0,07	0,07	0,14	0,07	0,14	0,03
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	0,0	20	20	20	20	20	20	20
2	1,14	170	20	20	20	20	20	20
3	2,28	280	95	20	20	20	20	20
4	3,42	370	150	57,5	20	20	20	20
5	4,56	470	214	85	39	20	20	20
6	5,7	560	277,5	126,5	52,5	29,5	20	20
7	6,84	670	343	165	78	36	25	20
8	7,98	760	417,5	210,5	100,5	51,5	28	22,5
9	9,12	860	485	259	131	64	37	25
10	10,26	960	559,5	308	161,5	84	44	30,5
11	11,4	980	634	360,5	196	103	57	36
12	12,54	980	670	415	232	126,5	69,5	43,5
13	13,68	980	697,5	451	271	151	85	51
14	14,82	980	715,5	484	301	178	101	60
15	15,96	980	732	508	331	201	119	69
16	17,1	980	744	531,5	354,5	225	135	79
17	18,24	980	756	549	378	245	152	89
18	19,38	980	765	567	397	265	167	99
19	20,52	980	773,5	581	416	282	182	108
20	21,66	980	780,5	595	431,5	299	145	118
21	22,8	980	787	606	447	313	203,5	125
22	23,94	980	793	617	459,5	328	219	132
23	25,08	980	798,5	626	472,5	339	230	137
24	26,22	980	803	635,5	482,5	351	238	143
25	27,36	980	808	643	493	360	247	147,5
26	28,8	970	811,5	650,5	501,5	370	254	152

Потери теплоты футеровкой вагонетки в зоне охлаждения.

Определим среднюю температуру верхней поверхности футеровки вагонетки за время пребывания ее в зоне охлаждения:

оС.

Характеристика футеровки вагонетки в рассматриваемом участке печи приведем в таблице 2.8:

Таблица 2.8 - Характеристика футеровки вагонетки в зоне охлаждения

Материал кладки	Толщина кладки сверху вниз, м	Температуры верха и низа, оС	Принимаемая средняя температура* tср, оС	, Вт/(мK)	c, кДж/ (кгK)	a10-5, м2/ч
Шамотный кирпич	0,07	674 633	654	1,116	1,013	208
Шамотный легковес	0,14	633 502	568	0,707	0,988	198
Диатомовый кирпич	0,14	502 144	323	0,258	0,909	146
Засыпка шамотная	0,03	144 93	117	0,386	0,846	137

*(Предварительное определение температур сделано для стационарного состояния с целью определения коэффициентов теплопроводности)

Значения коэффициентов теплопроводности материалов кладки в зависимости от температуры по графикам [2].

Далее ведем расчет по методу конечных разностей:

ч.

Определяем эквивалентные толщины слоев футеровки:

м,

м,

м.

Определяем эквивалентные толщины участков:

м,

м,

м.

Количество участков в каждом эквивалентном слое:

участка,

участка,

участок.

В зоне охлаждения вагонетка находится: 43,2-28,8=14,4 ч.

Количество участков времени участков.

Результаты расчета распределения температур футеровки вагонетки в период пребывания ее в зоне охлаждения представлены в таблице 2.9 , которая является продолжением подобной таблицы 2.7 для зон подогрева и отжига.

Таблица 2.9 - Температура на разных расстояниях от поверхности слоя футеровки в зоне охлаждения

№ участка	Продолжительность пребывания вагонетки от момента поступления в печь, ч	Температура на различных расстояниях от верхней поверхности данного слоя футеровки, оС
		Шамотный кирпич	Шамотный легковес	Диатомовый кирпич	Шамотная засыпка
		0	0,07	0,07	0,14	0,07	0,14	0,03
1	2	3	4	5	6	7	8	9
1	28,8	950	810	656,5	510	378	261	156
2	29,98	930	803	660	517	385	267	160
3	31,16	910	795	660	522,5	392	272,5	163,5
4	32,34	890	785	659	526	397,5	278	166
5	33,52	870	774,5	655,5	528	402	281,8	169
6	34,7	850	762,8	645,8	528,7	404,9	285,5	170,9
7	35,88	820	750,6	648,2	528	407,1	287,9	172,8
8	37,06	800	734,1	639,3	527,6	408	289,9	174
9	38,24	780	719,6	630,9	523,6	408,8	291	174,9
10	39,42	760	705,5	621,6	519,8	407,3	291,8	175,5
11	40,6	740	690,8	612,6	514,4	405,8	291,4	175,9
12	41,78	720	676,3	602,6	509,2	402,9	290,8	175,7
13	43,2	700	661,3	592,8	502,8	400	289,3	175,4

Таблица 2.10 - Распределение температур в футеровке вагонетки в интервале выбранных участков (из табл. 3.7 и 3.9)

№п/п	Слой шамотного кирпича	Слой шамотного легковеса	Слой диатомового кирпича	Слой шамотной засыпки
	tп, оС	tн, оС	tср, оС	t'п, оС	t'1, оС	t'2, оС	t'ср, оС	t''п, оС	t''1, оС	t''2, оС	t''ср, оС	, оС	, оС	, оС
					0,07	0,14			0,07	0,14
1	880	444,5	622	444,5	230	113	262,5	113	56,5	32	67,1	32	23,5	28
2	980	670	825	670	415	232	439	232	126,5	69,5	142,5	69,5	43,5	56,5
3	980	808	894	808	643	493	648	493	360	247	366	247	147	197
4	880	785	833	785	659	526	657	526	397,5	278	400,5	278	166	222
5	700	661,3	681	661,3	592,8	502,8	586	502,8	400	289,3	398	289,3	175,4	232

Определим аккумуляцию тепла футеровкой вагонетки по участкам зон подогрева, отжига и охлаждения.

Количество теплоты аккумулированное футеровкой и металлом вагонетки определяем по формуле:

(2.11)

где , , , и - расход отдельных слоев футеровки и металлических частей на вагонетку, кг.

Масса каждого слоя футеровки:

(2.12)

где - длина вагонетки, м;

- ширина вагонетки, м;

- толщина слоя, м;

- плотность материала слоя, кг/м3.

В соответствии с формулой (2.12):

кг,

кг,

кг,

кг,

кг.

Количество вагонеток, выходящих из печи за сутки - 10 или за час 10/24=0,417 ваг/час.

Масса отдельных слоев футеровки и металлических частей вагонетки, отнесенный к 1 часу работы печи:

кг/ч,

кг/ч,

кг/ч,

кг/ч,

кг/ч.

По формуле (2.11):

Ниже в таблицах 2.11 и 2.12 приводится сводка расходов и потерь теплоты по отдельным участкам зон подогрева, отжига и охлаждения.

Таблица 2.11 - Потери и расход теплоты в зоне подогрева и отжига

№ участка	Интервал температур, оС	Qмат, кВт	Qваг, кВт	Qнар, кВт	, кВт
1	600-800	250,6	43,0	12,31	305,91
2	800-980	72,5	26,3	10,51	109,31
3	980	-	30,1	43,46	73,56
итого		323,1	99,4	66,28	488,78

Таблица 2.12 - Потери и расход теплоты в зоне охлаждения

№ участка	Интервал температур, оС	Qмат, кВт	Qваг, кВт	Qнар, кВт
4	980-880	-41,6	-0,25	11,41	-30,44
5	880-700	-74,8	-15,0	18,20	-71,60
итого		-116,4	-15,25	29,61	-102,04

2.5 Определение расхода топлива и тепловой баланс печи

Теоретическая температура горения природного газа:

(2.13)

где - низшая теплота сгорания топлива на рабочую массу, кДж/м3;

- физическое количество теплоты воздуха,

идущего на горение, кДж/м3;

- физическая теплота с топливом, кДж/м3;

- соответственно удельный объем и средняя теплоемкость

продуктов сгорания, м3/м3 и кДж/м3К.

(2.14)

Количество воздуха на горение при =1,05 равно 9,48 м3/м3, тогда =9,481,05=10 м3/м3. Отсюда по формуле (2.14):

кДж/м3,

кДж/м3.

Объем продуктов сгорания:

м3/м3,

1,67 кДж/м3К,

оС.

Пирометрический коэффициент горения =0,77 [6], тогда:

оС.

Количество воздуха на разбавление продуктов сгорания от 1590 до

1100 оС. Составляем уравнение смешения:

,

,

м3/м3.

Количество воздуха подаваемого в печь: 10+7,3=17,3 м3/м3. Отсюда

Таким образом, на горение необходимо 10 м3/м3 воздуха. Считаем, что 70% воздуха подается в горелки из зоны охлаждения с температурой 200 оС, а 30% воздуха поступает в зону отжига по туннелю печи с температурой 400 оС. На разбавление продуктов сгорания необходимо 7,3 м3/м3 воздуха. Это количество воздуха подается также из зоны охлаждения.

Приходные статьи теплового баланса зоны подогрева и отжига.

1) химическая теплота топлива:

кВт.

2) физическая теплота воздуха:

- воздух, подаваемый к горелкам и на разбавление:

кВт.

- воздух, поступающий по туннелю печи в зону отжига:

кВт.

В итоге получаем Qприх=11,34 кВт.

Расходные статьи баланса:

1) сумма расходов и потерь количества теплоты в зонах подогрева и отжига составляет 488,78 кВт из таблицы 2.11.

2) потери теплоты с уходящими газами.

Принимаем, что коэффициент избытка воздуха в дымовых газах на выходе из печи =1,9. Температура уходящих газов - 700 оС.

Объем дымовых газов составит:

м3/м3,

кВт.

3) потери теплоты через футеровку вагонеток в подвагонеточное пространство принимаем 10% от Qт:

кВт.

4) потери теплоты от химической неполноты сгорания принимаем 3% от количества теплоты, полученного при сжигании топлива Qт:

кВт.

5) неучтенные потери принимаем 6% от Qт:

кВт.

Уравнение теплового баланса зон подогрева и отжига приобретает вид:

,

м3/ч.

Расход газа на 1 т продукции: B/P=127/0,89=142,7 м3/т.

Расход условного топлива на 1 т продукции: кг/т.

КПД печи.

Количество теплоты, расходуемое на нагрев материала 323,1 кВт (табл. 2.11), а количество теплоты, получаемое от сжигания топлива:

35590127=4519930 кДж/ч или 1255,5 кВт.

%.

Таблица 2.13 - Тепловой баланс зон подогрева и отжига

Наименование статей	Расчет	Значение кВт	%
I. Приходные статьи
1. Химическая теплота топлива	35590127	1255,5	87,1
2. Количество теплоты с воздухом - на горение и разбавление - воздух, поступающий по туннелю в зону отжига	1,031127 0,44127	130,8 55,88	9,0 3,9
Итого	1442,2	100
II. Расходные статьи
1. Нагрев изделий и горшков	табл.	323,1	22,2
2. Аккумуляция теплоты футеровкой вагонеток	табл.	99,4	7,1
3. Потери теплоты через стены и свод печи	табл.	66,28	4,6
4. Потеря теплоты с уходящими газами	5,6127	711,2	49,5
5. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива	0,97127	37,7	2,6
6. Потеря теплоты через футеровку вагонетки в подвагонеточное пространство	0,99127	125,7	8,7
7. Неучтенные потери теплоты	0,59127	74,9	5,2
8. Неувязка		3,88	0,1
Итого		1442,2	100

Тепловой баланс зоны охлаждения.

Приходные статьи:

1) Количество теплоты с материалом 323,1 кВт (из табл. 2.11).

2) Теплота аккумулированная футеровкой вагонеток 99,4 кВт (табл.2.11)

3) Количество теплоты нагнетаемого воздуха в зону:

кВт.

Общий приход теплоты в зону:

кВт.

Расходные статьи:

1) Потери теплоты с выгружаемыми изделиями при температуре 700 оС:

кВт.

2) Потери теплоты через ограждения 29,611 кВт (из табл.2.12).

3) Потери теплоты в подпечное пространство принимаем 2% от поступаемого количества теплоты в зону:

кВт.

4) Аккумуляция теплоты футеровкой вагонеток, выводимых из печи 77,34 кВт.

5) Теплота отбираемого воздуха из зоны охлаждения, принимаем объем равным объему нагнетаемого т.е. . Теплоемкость его при t=200 оС равна 259,6 кДж/м3:

кВт.

Общий расход теплоты:

.

Из балансового равенства следует:

,

м3/ч.

Таблица 2.14 - Тепловой баланс зоны охлаждения

Наименование статей	Расчет	Значение кВт	%
I. Приходные статьи
1. Количество теплоты с материалом	табл.	323,1	74,0
2. Теплота, аккумулированная футеровкой вагонеток	табл.	99,4	23,6
3. Теплота вносимого воздуха	0,0071450	10,15	2,4
Итого	432,65	100
II. Расходные статьи
1. Теплота с выгружаемыми изделиями		212	49,0
2. Потери теплоты через стены и свод печи	табл.	29,611	6,8
3. Потери теплоты в подвагонеточное пространство через футеровку вагонетки		8,65	2,0
4. Аккумуляция теплоты футеровкой вагонеток, выводимых из печи	табл.	77,34	18
5. Теплота отбираемого воздуха	0,0721450	104,4	24,2
6. Неувязка		0,649	-
Итого		432,65	100

Таблица 2.15 - Сводный тепловой баланс печи

Наименование статей	Значение, кВт	%
I. Приходные статьи
1. Химическая теплота топлива	1255,5	86,5
2. Количество теплоты с воздухом - на горение и разбавление - воздух, поступающий по туннелю в зону отжига	130,8 55,88	8,9 3,9
3. Теплота вносимого воздуха	10,15	0,7
Итого	1452,33	100
II. Расходные статьи
1. Потеря теплоты с уходящими газами	711,2	49,0
2. Потери теплоты через стены и свод печи	95,89	6,7
3. Потери теплоты с гружеными вагонетками, выводимыми из печи	289,34	20,0
4. Потеря теплоты от химической неполноты сгорания топлива	37,7	2,6
5. Потери теплоты в подвагонеточное пространство через футеровку вагонетки	134,35	2,0
6. Теплота отбираемого воздуха из зоны охлаждения	104,4	7,2
7. Неувязка	4,55	0,1
Итого	1452,33	100

2.6 Выбор вспомогательного оборудования

Выбор горелок

С целью равномерного нагрева изделий, а также гибкости управления работой печи к установке принимаем 16 горелок. Распределение газа по горелка неравномерное. Принимаем максимальный расход на горелку - 15% от общего расхода газа.

Расход на одну горелку составит:

1270,15=19 м3/ч.

К установке принимаем горелки типа ГНП-4 с соплом типа Б [8].

Дымососная установка.

Расход газа B=127 м3/ч; L0=9,48 м3/м3; v0=10,64 м3/м3; =2, отсюда объем продуктов сгорания:

м3/м3,

V= м3/ч.

Температура дымовых газов составляет 700 оС. Допускаемая температура перед дымососом - 400 оС. Рассчитаем количество воздуха, необходимого для разбавления дымовых газов до допустимой температуры:

м3/ч.

Общее количество дымовых газов перед дымососом:

2550+2200=4750 м3/ч.

м3/ч.

С запасом 20%:

м3/ч.

К установке принимаем вентилятор типа В-Ц14-46-5К-02 [1].

Производительность - 14000 м3/ч,

Напор при t=400 оС - 165 мм вод. ст.,

Число оборотов - 980 об/мин.

Электродвигатель к нему 4А160МУ3 мощность 15 кВт, 1000 об/мин [8].

Определяем потребляемую мощность:

кВт

С запасом 15%: 11,51,15=13,2 кВт.

Вентилятор для подачи воздуха в зону охлаждения.

Количество воздуха на охлаждение изделий Vв=1450 м3/ч. Вышеуказанное количество воздуха, принято из расчета охлаждения изделий от 700 оС. Учитывая необходимость в более интенсивном охлаждении, выбираем вентилятор производительностью 3000 м3/ч, напор - 56 мм вод. ст., число оборотов - 930. К установке принят вентилятор центробежный Ц9-57 с электродвигателем 4А90L6У3 N=1,5 кВт и n=1000 об/мин [1].

Установка отбора воздуха из зоны охлаждения и подача его к горелкам.

Количество воздуха, необходимое для горения, равно:

м3/ч,

из них 70% подается к горелкам:

м3/ч.

Количество воздуха, необходимое на разбавление продуктов горения:

м3/ч.

Общее количество воздуха, подаваемое в печь вентилятором:

890+910=1800 м3/ч.

Из зоны охлаждения отбирается 1450 м3/ч воздуха с температурой

200 оС. Остальное количество воздуха будет подсасываться вентилятором через патрубок, установленным на всасывающем трубопроводе.

Производительность вентилятора:

м3/ч.

С запасом 20%:

м3/ч.

К установке принимаем вентилятор Ц1-4030 [1]. Напор 350 мм вод. ст.

Напор при t=200 оС:

мм вод. ст.

Число оборотов 1450 об/мин. Выбираем АИР100L4 - 3 кВт [8].

Необходимая мощность электродвигателя:

кВт.

3. РАСЧЕТ СУШИЛКИ ПЕСКА В КИПЯЩЕМ СЛОЕ

3.1 Описание конструкции сушилки песка в кипящем слое

Установка для сушки песка в кипящем слое состоит из трех основных узлов: топки, рабочей камеры и сепарационной камеры. Вспомогательными узлами являются: дутьевой вентилятор с воздухопроводами и вентиляционная очистная установка. Производительность установки при сушке песка с начальной влажностью 7% (конечная - 0,5%) в интервале до 120 оС составляет 5 т/ч.

Топка рассчитана на сжигание природного газа. Природный газ с фронтовой стороны топки подается в горелку ГНП-2. Кроме газа в топку подается первичный воздух для горения и вторичный, служащий для разбавления. Размеры топочной камеры: диаметр - 0,5 м, длина - 1,2 м, объем - 0,23 м3. Обмуровка выполнена из слоя шамотного кирпича и слоя диатомового кирпича.

Смесительная, или нижняя, камера, через которую дымовые газы проходят из топочной камеры к газораспределительной решетке, футерована также шамотным и диатомовым кирпичом. Между стальной обшивкой камеры и диатомовым кирпичом имеется слой шлаковаты.

Рабочая камера, в которой будет иметь место сжижение слоя, имеет цилиндрическую форму. Диаметр ее равен 0,64 м, а площадь составляет 0,32 м2. Вверху камеры устанавливается течка, через которую подсушенный песок под влиянием гидростатического давления слоя вытекает из аппарата. Давление газов над решеткой должно быть в пределах 500-560 мм вод. ст.

Верхняя часть аппарата выполнена расширяющейся кверху. Такая конфигурация пылеотсосной камеры позволяет снизить скорость газов на выходе и тем самым предотвратить вынос мелких частиц песка.

Сырой песок из расходного бункера посредствам тарельчатого питателя подается на элеватор. Загрузка материала в слой осуществляется по наклонной течке, вмонтированной в пылеотсосную камеру. Сухой материал поступает также в наклонную течку и по ней через колосниковую решетку выгружается в установку для охлаждения песка. Для того чтобы в аппарат для охлаждения песка не попадали крупные фракции (диаметром не более 5 мм)после сушки и перед охлаждением установлен грохот ГЖ-1.

Установка для охлаждения песка воздухом в кипящем слое состоит из рабочей камеры и расположенной над ней пылеотстойной камеры. Под аппаратом расположен воздухораспределительный коллектор с пятью патрубками для равномерного распределения воздуха вдоль всей площади аппарата.

Аппарат устанавливается на каркасе. Площадь рабочей камеры составляет 2,9 м2, высота ее 0,2 м. В основании рабочей камеры расположена воздухораспределительная беспровальная решетка сечением 2,48 м2.

В каждом воздухораспределительном патрубке установлен шибер для возможности регулирования распределения воздуха вдоль длины решетки.

Длина аппарата составляет 3,4 м. Ширина аппарата снизу равна 0,85 м, вверху - 1,7 м. Такое расширение камеры предусмотрено для уменьшения скорости воздуха на выходе из аппарата.

Охлаждение песка осуществляется путем продувки через слой его наружного воздуха с помощью дутьевого вентилятора.

3.2 Материальный баланс сушилки

Состав топлива:

СН4=97,1 %

С2H6=0,3 %

C3H8=0,1 %

N2=2,4 %

CO2=0,1 %

Рассчитаем количество испаряемой влаги и количество сухого песка:

(3.1)

(3.2)

где W - количество испаренной влаги, т/ч;

G1 - количество влажного песка на входе, т/ч;

G2 - количество сухого песка на выходе из сушилки, т/ч;

= 7% - начальная влажность материала;

= 0,5% - конечная влажность материала;

,

(т/ч),

(т/ч).

3.3 Тепловой баланс сушилки на 1 кг удаляемой влаги

Теоретическое количество сухого воздуха для сжигания 1 кг топлива

(3.3)

Общий коэффициент избытка воздуха, необходимый для получения газов с tг=450 оC

 (3.4)

где - низшая теплота сгорания топлива на рабочую массу,

Cp - изобарная теплоемкость воздуха при температуре t=450 оC,

Плотность газа кг/м3 [3].

Процентное массовое содержание составляющих газа:

(3.5)

,

Вес сухих газов:

.

Вес водяных паров:

Влагосодержание газов на входе в сушилку:

(3.6)

.

Энтальпия топочных газов, входящих в сушилку:

(3.7)

где - КПД топки;

- теплоемкость газообразного топлива [3];

I0=41,9 кДж/кг - энтальпия воздуха на входе в сушилку при 20 (по Id - диаграмме);

Теплоемкость высушенного и влажного материалов приблизительно равны:

(3.8)

Построим процесс сушки в I,d - диаграмме. Для этого определяем:

Qтр - потери тепла с транспортным устройством, для сушилки с кипящим слоем равны 0 [2];

q5 - потери тепла сушильной камерой в ОС, принимаем 168 кДж/кг[2].

Потери тепла с материалом на 1 кг влаги:

(3.9)

.

Для построения действительного процесса сушки находим величину:

Масштабы осей:

Мi=5,2 кДж/мм; Мd=1,18 г/мм.

По графику определяем - d2д=105 г/кг.

Удельный расход смеси топочных газов и воздуха:

(3.10)

Удельный расход полезной теплоты:

(3.11)

Потери теплоты с уходящим сушильным агентом:

(3.12)

Тепловой баланс сушилки на 1 кг испаренной влаги:

(3.13)

КПД сушилки (камеры):

(3.14)

Тепловой баланс сушильной установки:

КПД сушильной установки

.

Энтальпия I, кДж на 1 кг сухого воздуха

Влагосодержание d, г на 1кг сухого воздуха

Рисунок 3.1 - Процесс сушки в Id диаграмме

3.4 Определение основных размеров сушильной камеры

Определяем критерий Архимеда [2]:

(3.15)

.

Пользуясь графиком Ly=f(Ar) [2] находим:

где Ly - критерий Лященко,

- порозность слоя.

Находим скорость газа на полное сечение решетки по формуле:

(3.16)

Вычисляем площадь решетки по формуле:

 (3.17)

Диаметр решетки:

(3.18)

Пользуясь формулами (3.15), (3.16), (3.17) и (3.18) определяем диаметр сепарационного пространства. Находим критерий Архимеда по формуле

, (3.19)

здесь минимальный диаметр частиц материала. Пользуясь графиком находим критерий Лященко, соответствующий уносу частиц: .

Высота гидродинамической стабилизации [2]:

(3.20)

.

принимаем диаметр отверстий решетки dотв=0,005 м.

Высота кипящего слоя

Высота сепарационного пространства

Общая высота аппарата (над решеткой)

Коэффициент теплоотдачи от теплоносителя к частицам материала:

(3.21)

где Nu - критерий Нуссельта;

(Вт/мК) [14];

dср - средний диаметр частиц материала, м.

Критерий Рейнольдса:

(3.22)

где Re - критерий Рейнольдса;

- скорость газа на сечение, м/с;

- кинематическая вязкость, м2/с.

.

Критерий Нуссельта определим по формуле:

(3.22)



Откуда по формуле (3.21):

Среднелогарифмическая разность температур

.

Определение расхода теплоты при взаимодействии теплоносителя с материалом:

а) расход теплоты на нагрев материала:

0,32 ГДж/ч.

б) расход теплоты на испарение свободной влаги:

0,89 ГДж/ч

в) расход теплоты на испарение связанной влаги:

0,09 ГДж/ч.

1,264 ГДж/ч

Суммарная поверхность частиц материала в аппарате, необходимая для обеспечения передачи количества теплоты Q:

.

Заполнение сушилки материалом

где ;

- плотность материала (1520 кг/м3).

На 1 м2 решетки нагрузка составляет:

.

Высота слоя:

Продолжительность сушки получаем равной:

3.5 Аэродинамический расчет сушилки

Основную долю общего гидравлического сопротивления сушилки составляют гидравлические сопротивления кипящего слоя и решетки:

(3800 Па)

Потери давления в решетке должны быть больше или хотя бы равны потерям в кипящем слое .Сопротивление решетки принимаем [2]:

Cопротивление циклона вычислим по формуле:

.

Прочие сопротивления и динамические потери оцениваем в 500 Па.

Гидравлическое сопротивление сушилки:

Предполагая установку ГПА, предвключенного к сушильной установке, принимаем давление на выхлопе двигателя 5500 Па, что обеспечит преодоление сопротивления газоподводящей линии и решетки сушилки. остальная часть аэтодинамического сопротивления обеспечена установкой дымососа.

Суммарный напор, создаваемый вентилятором, превышает рассчитанные гидравлические потери на 25%. Поэтому:

Мощность электродвигателя дымососа

.

4. МОДЕРНИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ СУШКИ ПЕСКА НА БАЗЕ ГАЗО-ПОРШНЕВОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

4.1 Анализ использования энергоресурсов промышленными предприятиями и пути повышения их энергоэффективности

Эффективность энергоиспользования определяется, в первую очередь, структурой теплоэнергетической системы промышленного предприятия (ТЭСПП), которая создается после выбора технологии производства. И если созданию новых технологий уделялось и уделяется большое внимание, то в разработке ТЭСПП сложилась иная ситуация, что привело в ряде случаев к неоправданным перерасходам энергии и потере конкурентоспособности самих теплотехнологий. Одна из причин диспропорции уровней технологий и их энергообеспечения заключается в том, что работы по их созданию проводились и проводятся только специалистами-технологами. Но если в создании самой технологии, в лучшем случае, нужны лишь консультации системных специалистов в области промышленной теплоэнергетики, то в создании энергообеспечения теплотехнологии, в построении соответствующей ТЭСПП роль консультантов должна быть отведена уже технологам при ведущей роли системных промышленных теплоэнергетиков.

Теплоэнергетическая система большинства промышленных предприятий представляет сложный комплекс технологических агрегатов и энергоустановок различного назначения, которые весьма жестко связаны, в том числе и разнообразными потоками энергии: как потребляемыми, так и генерируемыми. Соответствующее построение ТЭСПП объективно является намного более сложной задачей, чем, например, рационализация схем тепловых электростанций. Для существующих объектов главные трудности связаны с реструктуризацией оборудования в условиях сложившихся достаточно плотных компоновочных решений. Для вновь проектируемых систем сложности возникают из-за непригодности для принятия решений данных среднего характера за тот или иной период времени. Необходимы более подробные сведения, которые могут быть получены в результате тщательного мониторинга объекта, что в принципе невозможно при проектировании.

Однако в нынешней ситуации рационализация ТЭСПП безальтернативна для любых технологий, прежде всего - энергоемких. Во многих случаях она существенно изменяет ситуацию и позволяет повышать конкурентоспособность апробированным технологическим процессам, поскольку в нынешних условиях резко снижает эксплуатационные затраты. В связи с отмеченными выше трудностями создания соответствующей ТЭСПП следует при построении ТЭСПП ориентироваться на блокирование путей потерь эксергии на всех стадиях протекания теплотехнологических процессов, прежде всего интеграцией взаимодополняющих теплотехнологий с большими внутренними потерями эксергии у одной на горячем, у другой - с большими внешними потерями эксергии на холодном торцах технологического процесса.

Одним из направлений, связанных с подавлением потерь эксергии, является энерготехнологическое комбинирование, которое наиболее просто осуществить в условиях действующих предприятий введением в структуру ТЭСПП высокотемпературных надстроек на базе двигателей внутреннего сгорания с газообразным рабочим телом. Это могут быть поршневые или газотурбинные двигатели, которые наиболее просто использовать для привода электрогенераторов, что и нашло отражение в выпуске многими специализированными предприятиями комплектных электростанций. Типоразмерный ряд последних достаточно широк. При использовании поршневых двигателей он охватывает диапазон мощностей до 2,5 МВт, газотурбинного привода (ЭГТУ) электрическая мощность лежит в диапазоне от 1 до 25 МВт. Первые могут работать на газообразном топливе любого давления, сохранять приемлемое значение КПД при определенном колебании нагрузки, вторые более компактны, но требуют газообразное топливо высокого давления и сохраняют высокий КПД лишь при номинальной нагрузке.

Комбинированная выработка электрической энергии на базе теплового потребления (теплофикация или когенерация), зародившаяся в начале прошлого столетия на основе паротурбинных электростанций, сегодня признана в мире как один из основных путей снижения потребления первичных энергоресурсов.

Увеличение удельного веса природного газа в структуре приходной части энергобаланса технически развитых стран ускорило появление и внедрение нового поколения двигателей внутреннего сгорания (ДВС) как газотурбинных (ГТУ), так и газопоршневых (ГПА), с технологиями которых связывают электроэнергетику XXI в. Обусловлено это тем, что современные ДВС оказывают минимальное воздействие на окружающую среду и имеют высокие энергетические, эксплуатационные и экономические показатели. Быстрый запуск, полная автоматизация работы, набор и сброс нагрузки обеспечивают возможность применять их во всех режимах использования: базовом, пиковом, аварийном. Модульность оборудования, его сравнительно небольшие габариты и вес позволяют в чрезвычайно короткие сроки сооружать генерирующие установки, отличающиеся небольшим сроком окупаемости, значительным межремонтным периодом. ГПА, например, характеризуются работой 60...90 тыс. ч до капитальных ремонтов и общим сроком службы 240.. .300 тыс. ч.

Сегодня структура энергопотребления такова, что в системах материального производства около 65 % энергии используется непосредственно в тепловой форме и не более 310 % - потребляется в виде электроэнергии. Значительная часть тепловой обработки осуществляется при температурах до 5102 °С. Указанную теплотехнологическую нагрузку отличает непрерывность спроса во времени, что обеспечивает стабильную загрузку оборудования в течение всего года, независимо от сезона. Годовое число часов работы с номинальной мощностью когенерационного оборудования, интегрированного в теплотехнологию, достигает 8500 - величины, не достижимой для паротурбинных ТЭЦ, а потому вызывающей недоверие у ряда специалистов.

Кроме этого, надо принять во внимание, что теплотехнологические агрегаты в ряде случаев являются непосредственно установками, утилизирующими энергию дымовых газов ДВС. Это упрощает и удешевляет их интеграцию с газовыми тепловыми двигателями в когенерационные энерготехнологические комплексы. Все изложенное объясняет пристальный интерес у системных специалистов, связанных с проблемой эффективного использования первичных энергоресурсов, к этой возможности качественного расширения круга потребителей тепловой энергии, на базе которой возможно вырабатывать дешевую электроэнергию. Специфика подобной энерготехнологической комбинированной выработки энергопотоков связана с необходимостью создания генерирующих когенерационных мощностей непосредственно на территории промышленных предприятий, которые используют теплотехнологию, соответствующую возможностям потока выхлопных газов ДВС.

Для нужд большинства промышленных теплотехнологий по комплексу характеристик, как правило, наиболее подходят ГПА. Соотношение потоков электроэнергии и энергии дымовых газов для этих ДВС ранее определено величиной 1,3 кДж/кДж. В этом случае достаточное обеспечение собственных нужд систем преобразования вещества в дешевой когенерационной электроэнергии, производимой на базе теплотехнологий, требует вовлечения в комбинированную выработку порядка 410 % теплотехнологических потребителей энергии дымовых газов.

На основании приведенных выше данных (структуры потребления энергии в промышленном производстве, величины удельной выработки электроэнергии на единицу отпущенной тепловой энергии когенерационных модулей), принимая во внимание, что доля топлива, используемого в высокотемпературных (выше 600 °С) технологических процессах, не превышает 60 %, можно сделать вывод: промышленность Беларуси, как минимум, самодостаточна в удовлетворении потребности в электроэнергии на базе когенерационного производства. В ряде случаев теплотехнологические системы могут обеспечить дешевую выработку электроэнергии по когенерационной технологии в количествах, превышающих собственное потребление, и обеспечить серьезную экономию импортируемых первичных энергоресурсов. Технологические и энергетические элементы системы неотделимы, и только при их совместной работе возможны надежность, энергоэкономичность, наибольшая экономичность. При этом характер и масштаб производства определяет специфику энергоиспользования как проектируемых, так и действующих систем.

В отличие от использования вторичных энергоресурсов, при котором имеет место простое соединение огнетехнических установок с дополнительным оборудованием, энерготехнология предусматривает реструктуризацию теплотехнологического оборудования в сочетании с пересмотром сложившихся технологических потоков и установившихся их параметров при сохранении или повышении качества продукции.