Газотранспортная система рассчитанная на максимальную потребность в газе, на протяжении года будет не загружена, если же исходить из минимальной подачи, то город в отдельные месяцы не будет полностью обеспечен газом. Поэтому газотранспортную систему сооружают исходя из средней производительности, а вблизи крупных потребителей газа создают газовые хранилища. Сезонную неравномерность потребителя газа частично выравнивают с помощью так называемых буферных потребителей, которые летом переводятся на газ, а зимой переводят на другие виды топлива (обычно мазут или уголь).

Подземные газовые хранилища сооружают в пористых породах и в полостях горных пород. К первому типу относятся хранилища в истощенных нефтяных и газовых месторождениях, а также в водоносных пластах. В них природный газ обычно хранится в газообразном состоянии. Ко второму типу относятся хранилища, созданные в заброшенных шахтах, старых туннелях, а также в специальных горных выработках, которые сооружаются плотных горных породах (известняках, гранитах, глинах, каменной соли). В полостях горных пород газы хранятся преимущественно в твердом состоянии при температуре окружающей среды и давлении порядка 0,8 -1,0 МН/м2 (8-10 кг/см2) и более. Обычно это пропан, бутан и их смеси.

Наиболее дешевы и удобны газовые хранилища созданные в истощенных нефтяных и газовых залежах. Приспособление этих емкостей под хранилища сводится к установке дополнительного оборудования, ремонту скважин, прокладке необходимых коммуникаций. В тех районах, где нужны резервы газа, а истощенные нефтяные и газовые хранилища отсутствуют, газовые хранилища устанавливают в водоносных пластах на глубине от 200-300 до 1000-1200м.

Из газовых хранилищ в полостях горных пород наибольшее значение имеют хранилища, сооруженные в отложениях каменной соли. Создание такой емкости в 10-20 раз дешевле, чем в других горных породах. Емкость в каменной соли создается обычно путем выщелачивания ее водой через скважины, которые используются затем при эксплуатации хранилища. Объем одной каверны достигает 100 -150 тыс. м3 на глубине от 100 до 1000 м и более. Для хранения природного газа целесообразны глубокие хранилища, так, как в них можно поддерживать более высокие давления и, следовательно, содержать в заданном объеме больше газа.

Особое место занимают изотермические хранилища газа (например, для очищенного метана), которые представляют собой котлован с замороженными стенками. Сжиженный метан храниться при атмосферном давлении и температуре -162С. Толщина замороженных грунтовых стенок резервуара медленно растет и достигает 10-15м. Потери тепла со временем уменьшаются. Низкая температура в хранилище поддерживается за счет испарения части метана (2 -4% в месяц). Пары собираются, сжижаются и возвращаются в хранилище. Геометрическая емкость их достигает 80 тыс. м3. Изотермическое хранилище метана обычно дороже, чем хранение его в газовом состоянии в водоносных пластах. Для хранения углеводородов в жидком состоянии изменяются и наземные емкости - стальные резервуары с двойными стенками, между которыми помещен теплоизоляционный материал. Наземные изотермические газовые хранилища относительно дороги и металлоемки, поэтому они распространенны мало.

водоснабжение энергообеспечение газоснабжение автоматизация

3.3 Горючие газы, используемые на промышленных предприятиях

Для газоснабжения промышленных предприятий широко применяются природные газы. Они представляют собой смесь углеводородов: в основном метан (СН4), а также этан (С2 Н6), бутан (С3 Н8). Природные газы не содержат водорода, оксида углерода и кислорода. Содержание азота и диоксида углерода обычно бывает невысоким. Газы некоторых месторождений содержат сероводород. Теплота сгорания природного газа 24000 -42000 кДж/м3.

Природный газ - высококалорийное топливо, удобное для транспортировки на большое расстояние, полностью сгорает при использовании. Себестоимость его добычи более чем в 10 раз ниже себестоимость угля. Природные запасы природного газа в 1995 г. оценивались в 148 трпн. м3 при обеспечении им на 65 лет, а Россия занимает 1-е место по разведанным запасам.

В нефтяных залежах может присутствовать попутный нефтяной газ (150 -300 м3 на 1т. нефти). Прежде он не находил применения и на нефтепромыслах сжигался. Однако возможности использования его даже шире, чем природного газа, так как состав разнообразнее и при химической переработке можно получить больший спектр веществ. Теплота сгорания попутного газа составляет 21000 -61000 кДж/ м3, плотность -1,16 -1,38 кг/м3.

В целом природный и попутный газы являются не только топливом, но и сырьем промышленности органического синтеза. Из них получают сажу, этиловый спирт, ацетилен, формальдегид и другие вещества, производство которых обходится намного дешевле, а иногда и проще, чем из иного сырья.

При термической переработке твердых топлив в зависимости от способа переработки получают газы сухой перегонки и генераторные газы.

Сухая перегонка твердого топлива представляет собой процесс его термического разложения, протекающей без доступа воздуха. При сухой перегонке топлива проходит ряд стадий физико-химических превращений, в результате которых оно разлагается на газ, смолу и коксовый остаток. Сухую перегонку каменного угля, происходящую при высоких температурах (900 -1000С), называют коксованием, в результате которого получается кокс и коксовый газ с теплотой сгорания Qн =16000 -18000 кДж/м3.

3.4 Промышленные системы газоснабжения

Промышленные предприятия получают газ от городских распределительных систем (ГРС) среднего и высокого давления (до 3,0 кгс/см2) и (3 -6 кгс/см2) соответственно. Крупные промышленные предприятия и ТЭЦ присоединяют с помощью специальных газопроводов к ГРС или магистральным газопроводам.

Промышленные системы газоснабжения состоят из следующих элементов: вводов газопроводов на территорию предприятия; межцеховых газопроводов; внутренних газопроводов; регуляторных пунктов (ГРП) и установок (ГРУ); пунктов измерения расхода газа (РГ); (ПИРГ) обвязочных газопроводов агрегатов, использующих газ.

Газ от городских распределительных сетей поступать в промышленные сети предприятия через ответвления и ввод. На вводе устанавливают главное отключающее устройство.

Транспортирование газа от ввода к цехам осуществляется по межцеховым газопроводам, которые могут быть подземными и надземными. Надземная прокладка имеет ряд преимуществ по сравнению с подземной: исключается подземная коррозия газопроводов; менее опасны утечки газа, так как вытекающий газ рассеивается в атмосфере; утечки легче обнаружить и устранить; проще эксплуатировать и осуществлять наблюдение за состоянием газопроводов. При использовании в качестве опор для газопроводов существующих колонн, эстакад, стен и покрытий зданий надземная прокладка газопроводов экономичнее подземной.

На вводе газопровода в цех и на ответвлениях к агрегатам устанавливают отключающие устройства. Газопроводы промышленных предприятий и котельных оборудуют специальными продувочными трубопроводами и запорными устройствами.

Давление во внутренних газопроводах определяется давлением газа перед горелками. Основное отличие принципиальных схем промышленных схем газоснабжения заключается в принятых давлениях газа в межцеховых газопроводах, газопроводах перед горелками агрегатов, а также в расположении газорегуляторных пунктов, установок и наличии регуляторов давления перед агрегатами. При решении вопроса о выборе схем следует учитывать: давление газа в городских распределительных газопроводах в месте присоединения предприятия; необходимое давление газа перед газовыми горелками в отдельных цехах; территориальное расположение цехов, потребляющих газ; расход газа цехами режим его потребления: удобство обслуживания и экономическую эффективность. В зависимости от конкретных условий используют одноступенчатые и двухступенчатые системы газоснабжения.

Одноступенчатые системы газоснабжения используют при непосредственном присоединении предприятий к городским распределительным сетям низкого давления. Двухступенчатые системы газоснабжения используют при непосредственном присоединении промышленных объектов к городским сетям среднего давления цеховыми ГРУ и со средним и низким давлением в межцеховых и цеховых газопроводах. У средних и крупных предприятий агрегаты в отдельных цехах обычно оборудуют горелками, которые работают на различных давлениях. В этом случае комбинируют приведенные выше схемы.

3.5 Газовые горелки и их основные характеристики

Процесс горения газа состоит из трех последовательно протекающих стадий. Первая стадия представляет собой процесс смесеобразования, в результате которого обеспечивается физический контакт между топливом и смесителем. Вторая стадия - это подогрев смеси до температуры воспламенения. Третья стадия - химическая, в этой стадии протекают реакции горения газа. При сжигании заранее приготовленной газо-воздушной смеси суммарная скорость процесса будет определяться скоростью подогрева и горения смеси. В этом случае стадия смесеобразования исключена, и горение протекает по кинетическому принципу.

Если газ и воздух предварительно не перемешивают, а подают в горелку раздельно, смесеобразование протекает одновременно с горением, и скорость процесса горения в целом определяется скоростью течения физической стадии, т.е. скоростью смесеобразования, ибо в этом случае “узким” местом процесса будет возникновение контакта между газом и воздухом. Такую область горения называют диффузной.

При сжигании газа по диффузионному принципу как только достигается контакт между газом и воздухом и образуется горючая смесь необходимого состава, сразу же начинается процесс горения. При высоких температурах, господствующих в топочном пространстве, скорость химических реакций несоизмеримо больше скорости процесса смесеобразования, поэтому суммарная скорость процесса в целом определяется скоростью образования горючей смеси. Таким образом, скорость диффузионного горения определяется аэродинамическими, диффузионными факторами и практически не зависит от физических и кинетических свойств смеси.

Рассмотренные два способа организации процесса горения газа являются крайними случаями. Между этими крайними способами располагаются множество процессов организации горения по диффузионно-кинетическому принципу, когда процесс смесеобразования интенсифицируется специальными приемами. Достоинством диффузионно-кинетического метода сжигания газа является возможность регулирования процесса в широком диапазоне.

Все стадии процесса горения (смесеобразование, подогрев и горение) осуществляются в газовой горелке и в камере горения. Основные функции газовой горелки сводятся к подаче газа и воздуха в топку, смесеобразованию, стабилизация фронта воспламенения, обеспечение требуемой интенсивности процесса горения газа и минимальных концентраций токсичных газов в продуктах горения.

Для смешения газа с воздухом горелка имеет смесительное устройство. Другим элементом горелки является головка Она обеспечивает выход газо-воздушного потока в топочную камеру.. Основное назначение головки - стабилизировать фронт воспламенения уже готовой или только что образовавшейся горючей смеси у устья горелки и предотвращать проскок и отрыв пламени.

Третий элемент горелки (огневая часть) представляет собой амбразуру или туннель, где частично или полностью протекает процесс горения. Огневая часть горелки одновременно служит и составной частью топочной камеры. Огневое устройство горелки создает устойчивый очаг зажигания и стабилизирует процесс горения, предотвращая отрыв пламени. Строгого разграничения функции между горелкой и топкой провести нельзя, так как ряд операций выполняется совместно горелкой и топкой.

Основным свойством горелки является осуществляемый ею метод сжигания газа, который в значительной мере зависит от степени подготовленности горючей смеси, выходящей из головки горелки. Именно этот процесс следует рассматривать как основной и использовать для классификации горелок. По методу сжигания газа горелки можно разделить на четыре группы:

горелки полного предварительного смешения, работающие по кинетическому принципу;

горелки предварительного смешения газа с частью воздуха, необходимого для горения. У горелок этого типа газ смешивается с первичным воздухом до поступления в зону горения. В зоне высоких температур сразу начинается процесс горения газа, обеспеченного первичным воздухом. Вторичный воздух подается в топку, обычно к корню факела;

горелки с незавершенным предварительным смешиванием газа с воздухом, которые осуществляют диффузионно-кинетический принцип сжигания газа;

горелки без предварительного смешения газа с воздухом, работающие по диффузионному принципу.

Кроме основной классификации горелки можно различать по способу подачи воздуха, добавлению газа, расположению горелки в топке и излучающей способности горелки.

По способу подачи воздуха горелки подразделяются на:

эжекционные, в которые воздух засасывается энергией газовой струи;

бездутьевые, у которых воздух поступает в топку вследствие разрежения;

дутьевые, с подачей воздуха в топку с помощью вентилятора.

По давлению газа горелки подразделяют на: горелки низкого давления (до 5кПа) и горелки среднего давления (5-300 кПа). Горелки с более высоким давлением не получили широкого применения.

3.6 Газы, используемые в технике

В технике используется свыше 30 различных газов. Они применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности; химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов; создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.).

Как топливо применяют горючие природные газы и получаемые искусственно в виде основной (генераторный) или побочной продукции (коксовый, доменный и др.). Они в то же время являются исходным сырьем для технологических процессов в химической промышленности. Из них вырабатывается около 500 видов различных химических продуктов. На природном газе работает большинство химических комбинатов.

Из числа газов, используемых в качестве химических агентов, воздух (атмосферный или обогащенный кислородом) и кислород получили наибольшее распространение в металлургической, химической и смежных с ними отраслях промышленности. Большое значение имеют также многие другие газы. При газовой сварке большей частью используют пламя ацителено-кислородной смеси, позволяющей развивать очень высокую температуру (около 3200 о С).

Тепловую обработку металлов в печах часто сопровождают воздействием химических агентов, находящихся в газообразном состоянии. Насыщение поверхностного слоя углеродом (цементация) производится путем длительного нагрева ее в атмосфере газов, диссоциирующих с выделением атмосферного углерода (СН4С+ 2Н2).

Газы как химические агенты применяются также в практике химико-термической обработки поверхности стали при ее азотировании, цианировании, алитировании, хромировании и др. При газовой цементации стали алюминием (хромом) ее нагревают в парах хлористого алюминия (хрома). Азот, генераторный газ из антрацита или древесного угля, продукты горения некоторых газов после удаления их них углекислого газа и паров воды и продукты диссоциации аммиака в металлообрабатывающей промышленности служат в качестве специальной атмосферы для борьбы с окислением и обезуглероживании металлов, которые происходят при их нагреве в атмосфере воздуха или дымовых газов.

В качестве инертных веществ для продувки взрывоопасной аппаратуры (газгольдеров, газоочистных коробок, коммуникаций и т.п.) применяют водяной пар, углекислый газ и азот, а также смесь углекислого газа с азотом, например, продукты горения газообразного топлива, сжигаемого с малым избытком воздуха. Технологические аппараты большой емкости продуваются инертными газами перед их заполнении газом, например, водородом. При этом вытесняется находящийся в аппарате атмосферный воздух и предотвращается образование взрывчатой смеси (газ-воздух).

В электроламповой промышленности для наполнения ламп накаливания применяются азот, криптон, ксенон и др. Наполнение ламп накаливания инертным газом уменьшает скорость испарения нити и таким образом увеличивает срок службы ламп. Использование для этих целей некоторых редких газов позволяет значительно (до 30%) увеличивать световую отдачу ламп накаливания, что имеет большое значение, так как на нужды освещения расходуется до 20% всей вырабатываемой электрической энергии.

Газы применяются также для интенсификации некоторых биохимических процессов. Углекислый газ и чистые продукты горения бессернистого топлива могут быть использованы в качестве углекислого удобрения. Повышенное содержание углекислого газа (до 0.3%) в атмосфере теплиц и оранжерей способствует лучшему развитию растений и созреванию урожая. В качестве теплоносителей широко распространены следующие газы: продукты горения (дымовые газы), воздух и реже газообразные продукты экзотермических процессов (окисления аммиака, получения серного ангидрида и др.). Дымовые газы как теплоноситель используют: для непосредственного обогрева изделий или материалов в печах и сушилках; для получения и подогрева промежуточных теплоносителей (водяного пара, горячей воды, воздуха и др.) иногда дымовые газы служат для транспортировки угольной пыли и ее подсушки во взвешенном состоянии. В этих случаях дымовые газы являются не только теплоносителем, но и физической средой для переноса твердых тел, находящихся в пылевидном состоянии.

В качестве рабочих веществ для совершения механической работы газы используют в газовых турбинах, в реактивных двигателях, а также в двигателях внутреннего сгорания.

4. Вода в народном хозяйстве

4.1 Основные источники и характеристики воды

Из всех природных ресурсов наибольшее значение в жизни и деятельности человека, несомненно, имеет вода. Облик Земли, возникновение и развитие жизни тесно связаны с водой и ее свойствами. Она является основной частью животного и растительного мира. В тканях человека содержится 65-70% воды, в рыбе -75%, в медузе - 96%, в помидорах -90%, в картофеле -76%.

Площадь поверхности земного шара, покрытого водой, примерно в 10 раз превышает площадь суши. Распределение воды характеризуется следующими данными: мировой океан -96,37%, ледники и полярные льды -1,74%, подземные воды - 1,71%, озера, реки и болота -0,29%, водяные пары в атмосфере - 0,01%.. Для промышленных и бытовых нужд применяется только пресная вода, составляющая около 3,5% всех запасов воды или 48млн км3 . Запасы пресных поверхностных вод стран СНГ равны примерно 40,4 тыс. км 3 . Распределены они следующим образом (тыс. км.3) : озера -26, в том числе Байкал -23; ледники - 11,4; болота - 3,4.

В настоящее время в связи со значительным развитием промышленности непрерывно уменьшаются запасы чистой воды и возрастают объемы бытовых и промышленных сточных вод. Некоторое дополнение к существующим запасам можно получить за счет опреснения морской воды. Однако это не может обеспечить все потребности без привлечения обычных источников пресной воды.

Природная вода может использоваться как источник промышленного сырья. В морской воде содержатся почти все химические элементы. Если учесть, что общая масса воды на Земле составляет 1.4*10 18 т., то содержание различных веществ в воде выражается внушительными цифрами. Например, в воде содержится 2,8 млрд. т. урана. Если извлечь из воды только 0,01 % содержащегося в ней урана, то его хватит для обеспечения энергией всего человечества в течении 100 лет.

Все воды содержат большое количество растворимых и нерастворимых примесей. К растворимым относятся соли (карбонаты кальция, магния, натрия, калия, а также сульфаты, хлориды); газы (О2,СО2, H2S, оксиды азоты и серы). Нерастворимые примеси представлены механическими взвесями песка, глины и т.п.

В воде, употребляемой в технике и в быту, предъявляются определенные требования в отношении состава и свойств. Качество воды определяется с физическими и химическими характеристиками, такими, как жесткость, общее солесодержание, прозрачность, окисляемость и др. Для оценки пригодности воды для питьевых нужд большое значение имеет токсичность примесей, содержание в ней микробов, запах, цвет и вкус. Для промышленных вод важными показателями являются жесткость, содержание солей и растворенных газов, механических примесей и т.п.

Допустимое содержание примесей в воде регламентируется соответствующими ГОСТами. Степень вредности определяется их химическим составом и состоянием (дисперсностью). Грубодисперсные взвеси засоряют трубопроводы и аппараты, вызывают образование пробок, снижение производительности аппаратуры и могут даже стать причиной аварии. Примеси в виде коллоидных частиц вызывают вспенивание воды и выбросы в котлах и аппаратах.

4.2 Классификация вод

Природные воды принято делить на три вида сильно различающихся по наличию примесей.

Атмосферная вода - вода дождевых и снеговых осадков - характеризуется сравнительно небольшим содержанием примесей, главным образом растворенных газов: кислорода, диоксида углеводорода, сероводорода, оксидов азота, кислородных соединений серы, органических веществ, которые загрязняют атмосферу в промышленных районах. Атмосферная вода почти не содержит растворенные соли, в частности соли кальция и магния.

Поверхностные воды - речные, озерные, морские - содержат, кроме примесей, имеющихся в атмосферной воде, разнообразные вещества. Почти всегда в ней примесей регламентируется соответствующим ГОСТом.

Для питьевой воды главными критериями являются: токсичность примесей, количество находящихся в ней микробов, запах, цвет, вкус.

Промышленная вода не должна содержать примесей больше допустимой нормы, которая устанавливается в зависимости от вида производства. Вода для прямоточных паровых котлов не должна содержать диоксид углерода и кислород, вызывающие коррозионное разрушение труб и может содержать сухой осадок (соли) не более 0,2-0,3 мг/л. Соли в паровых котлах, откладываясь на внутренней поверхности труб в виде накипи, вызывают снижение теплопроводности их стенок, перегрев труб и преждевременное их изнашивание. Повышенные требования в отношении чистоты предъявляются к воде в производстве целлюлозы, полупроводников и некоторых других материалов.

4.3 Очистка и обеззараживание воды

Очистка воды от примесей (подготовка воды) включает следующие операции: осветление и обесцвечивание, обеззараживание, умягчение, дегазацию и дистилляцию.

Осветление и обесцвечивание природной воды производится с целью удаления из нее механических примесей. Это достигается отстаиванием воды в бетонированных резервуарах большой вместимости (отстойниках) с последующим пропусканием через песчаные фильтры с зернистым фильтрующим слоем. Для осаждения коллоидных примесей в отстойниках вводят коагулянты _ сульфаты железа или алюминия. Коагулянты в воде гидролизуются с образованием аморфных осадков соответствующих гидроокислов, которые адсорбируют коллоидные примеси и увлекают их на дно отстойника. Одновременно идет процесс адсорбации на поверхности аморфного осадка органических красящих веществ, в результате чего вода обесцвечивается. Образующийся при коагуляции коллоидный осадок удаляется из воды при отстаивании и фильтровании.

Обеззараживание воды - обязательный процесс очистки воды, используемый для бытовых нужд. Уничтожение болезнетворных микробов и окисление органических примесей достигается хлорированием - введением газообразного хлора, хлорной извести, гипохлорита кальция, а также озонированием и кипячением.

В последние годы обеззараживание питьевой воды производят преимущественно с помощью озона, который получают, создавая тихий электрический разряд в воздухе, обогащенном кислородом. Во время обработки воды озон разлагается с выделением атомарного кислорода. Атомарный кислород обладает сильными окислительными свойствами, поэтому убивает микроорганизмы и окисляет даже органические примеси. При обработке воды хлором вода приобретает его запах, при озонировании запах отсутствует, что является существенным достоинством метода.

Устранение запаха и привкусов воды достигается ее хлорированием. Для удаления из воды избытка хлора ее дехлорируют. При этом избыток хлора либо химически связывается, либо удаляется при пропускании воды через угольные фильтры.

Умягчение воды производится за счет кипячения, дистилляции и вымораживания, а также связывания ионов кальция и магния при помощи реагентов в нерастворимые и легко удаляемые соединения. В качестве реагентов используют гашенную известь, кальцинированную соду, едкий натр и др.

Дегазация воды производится химическими и физическим способами.

При первом способе газы взаимодействуют с химическими соединениями и удаляются из воды. Например, диоксид углерода удаляют при пропускании воды через фильтр, заполненный гашенной известью. При этом образуется соль СаСО3 , выпадающая в осадок. Физические способы удаления газов заключаются в аэрации или нагревании воды в вакууме.

Предприятия химической и других отраслей промышленности, как правило, имеют сложное хозяйство по обеспечению подготовки воды. При фильтровании воды ее себестоимость увеличивается в 1,5 раза; при частичном умягчении - в 8 раз, при обессоливании и полном умягчении - в 10-12 раз. В результате доля затрат на водоснабжение и водоотведение в общих капиталовложениях на строительство заводов достигает 5-20%.

Производственные и бытовые сточные воды содержат различные органические и неорганические примеси, которые при сливе в водоемы загрязняют их. Способы очистки и обезвреживания сточных вод подразделяются на механические, физико-химические, химические и биологические.

Механические способы очистки сточных вод от механических примесей заключаются в их отстаивании и фильтрации.

Физико-химические методы основаны на применении средств флотации, экстракции и адсорбции вредных примесей, отгонки их с водяным паром.

Химические методы основаны на использовании очистительно-восстановительных, электрохимических процессов, реакций нейтрализации и переводу вредных веществ в неактивную безвредную форму.

4.4 Рациональное использование воды

Вода - один из основных видов естественных ресурсов, необходимых для развития промышленности. Растут потребности в воде. Расход воды, например, на современных химических предприятиях составляет несколько миллионов кубических метров в сутки, Завод капронового волокна расходует столько воды, сколько потребляет ее город с населением 120 тыс. человек, а мощный электрохимический комбинат по производству продуктов хлорорганического синтеза по потреблению воды эквивалентен городу с населением 800 тыс. человек. Наряду с этим химические предприятия являются источником сильно загрязненных стоков. Поэтому необходимо обеспечить снижение удельного потребления воды, организацию оборотного водоснабжения на всех крупных предприятиях, широко применять воздушное охлаждение взамен водяного, которое в некоторых производствах, например, аммиака и серной кислоты, позволяет уменьшить расход воды в 15-20 раз.

Рациональное комплексное использование водных ресурсов является крупной технологической, технической и экономической задачей. Рациональное водопотребление должно быть обязательным в каждом технологическом процессе. Для этого необходимо выбирать такие технологические схемы и аппаратуру, которые требовали бы минимального расхода свежей воды и не загрязняли окружающую среду; разрабатывать научно обоснованные нормы расхода воды, расширять использование возвратных вод, повышать эффективность очистки сточных вод; совершенствовать процессы в направлении возможно более полного использования отходов производства для уменьшения потребности в очистных сооружениях. Насколько это важно, можно судить по тому, что в настоящее время затраты на строительство очистных сооружений составляют примерно 20% от сметной стоимости строительства промышленных предприятий.

4.5 Назначение воды в технологических процессах

Невозможно указать другое вещество, которое бы находило столь разнообразное и широкое применение как вода. Вода - химический реагент, участвующий в производстве кислорода, водорода, щелочей и многих других важнейших химических продуктах. Вода необходимый компонент при схватывании и твердении вяжущих материалов - цемента, гипса извести.

Как технологический компонент вода применяется в многочисленных производственных процессах. В технике вода служит энергоносителем (гидроэнергетика), теплоносителем (паровое отопление, водяное охлаждение), рабочим телом в паровых машинах, используется для передачи давления (в частности, в гидравлических передачах и прессах, а также при нефтедобыче) или для передачи мощности (гидропривод машин). Вода, подаваемая под значительным давлением через сопло, размывает грунт или горные породы.

Наиболее крупные потребители воды - металлургические, химические, нефтедобывающие заводы, целлюлозно-бумажные комбинаты и теплоэлектростанции.

Наиболее сложным водное хозяйство бывает на металлургических заводах, что обусловлено рядом факторов. Во-первых, вода в технологических процессах применяется для самых разнообразных целей, отличающихся по методам использования и назначения. Во-вторых, в водном хозяйстве имеются водопотребители, требующие бесперебойной подачи воды, остановка которой может привести к аварии или большим выбросам пыли и газов в атмосферу, что недопустимо. Наконец, металлургический завод является очень крупным водопотребителем и поэтому его водное хозяйство должно исключать загрязнение прилегающих водоемов сточными водами. Этой задаче, в настоящее время, отводится первостепенное значение.

4.5.1 Основные водопотребители

Металлургическое производство включает целый ряд сложных технологических производств. Каждое из этих производств является водопотребителем, предъявляющим требования как к количеству, так и к качеству воды, причем вода требуется на всех этапах металлургического процесса и является таким же сырьем, как и руда, уголь, кокс и т. п.

Наиболее крупные потребители воды используют ее для охлаждения. К ним относятся все виды энергохозяйств (ТЭЦ, компрессорные, кислородные, паро-воздушные станции). Для этих водопотребителей особо важную роль играет температура воды. Кроме того, к таким водопотребителям относятся холодильники различных плавильных и нагревательных агрегатов. Для них водопотребление зависит в основном от допускаемого перепада температуры воды в металлургическом агрегате, а этот перепад в свою очередь зависит от солевого состава охлаждающей воды, от назначения охлаждаемого агрегата, его конструкции, требований к начальной температуре воды и др.

Водопотребители этой группы используют воду для:

1. Охлаждения пара в поверхностных конденсаторах (конденсаторы паросиловых станций, кислородных станций, компрессорных и др.);

Охлаждение кладки технологических печей;

Потребители, охлаждающие продукт путем непосредственного поливания водой. Эти потребители используют воду для охлаждения кокса, агломерата, стальных слитков, товарного чугуна. Для этой группы потребителей нормы водопотребления, как правило, определяются по максимальной производительности агрегата и сохраняются во все время его работы.

Потребители, охлаждающие детали производственного оборудования непосредственным поливом. Водопотребители этой группы используют воду для охлаждения подшипников, валков прокатных станов, кузнечного оборудования, периодического полива кожухов доменных печей и др.

Потребители, осуществляющие охлаждение и промывку газа. Потребители этой группы используют воду для очистки колошниковых газов в доменном цехе, газов в сталеплавильных агрегатах и на газогенераторных станциях. Для этой группы водопотребителей нормы водопотребления определяются в зависимости от требований, предъявляемых к очищенному газу, от конструкции газоочистных устройств, а также от количества и характера загрязнений, вносимые газом в воду.

Потребители, осуществляющие приготовление растворов. Они используют воду в травильных процессах и для изготовления известковых растворов. Нормы водопотребления в данном случае зависят только от технологических требований к качеству воды и мало зависят от температуры.

Потребители, использующие воду как движущую среду для удаления сыпучих материалов. Потребители этой группы осуществляют гидрозолоудаление от ТЭЦ и ПВС, гидравлическое удаление окалины в прокатном производстве и транспортировку металлосодержащих шлаков на утилизационную установку. Нормы водопотребления зависят от количества, размера и плотности фракции транспортируемых отходов. Температура воды играет здесь незначительную роль, также как и ее качество.

Потребители, использующие воду для питания котлов силовых установок. К данной группе относятся котлы ТЭЦ и ПВС. Нормы водопотребления в этом случае зависят от качества воды, от применяемого способа улучшения этого качества, от наличия и возврата конденсата.

Потребители, использующие воду для создания водяных завес и экранов. Для улучшения условий труда в горячих производствах применяются экраны, поглощающие лучистую теплоту, исходящую от агрегатов с очень высокой температурой.

Водоснабжение каждого из этих потребителей имеет свои характерные особенности по следующим признакам:

расходу воды;

соотношению расходов поданной и отработанной воды;

изменению водопотребления в течении суток, по временам года и т.д.;

качеству применяемой и отработанной воды;

возможностью оборотного водоснабжения и последовательного использования воды от других или другими водопотребителями.

4.5.2 Дополнительные водопотребители

На промышленных предприятиях вода требуется не только для технологических, но и для удовлетворения хозяйственно-питьевых и бытовых потребностей работающих на заводе. От сети хозяйственно-питьевого водопровода обеспечиваются такие потребители, предъявляющие повышенные требования к качеству воды, как-то: кондиционеры в системах вентиляции горячих цехов, химические лаборатории и др. Кроме того, в цехах с незначительным расходом производственной воды(1-3 мі/сутки) во избежании строительства двух сетей водопровода (питьевого и производственного) потребители производственной воды иногда обеспечиваются от сети хозяйственно-питьевого водопровода.

Хозяйственно-питьевой водопровод сооружают общим для всего промышленного узла, включающего как заводы и предприятия данного промышленного района, так и жилой сектор, расположенный вокруг этих заводов.

Обязательным для всех заводов является устройство наружного противопожарного водопровода, обеспечивающего подачу воды на пожаротушение в количествах, предусмотренных нормами, в зависимости от виды и объема предприятия. При этом вода расходуется как непосредственно на тушение пожара, так и на приготовление пены при тушении пожара пеной в мазутохранилищах и электротехнических подвалах и туннелях.

4.5.3 Хозяйственно-бытовая и дождевая канализация

Назначение хозяйственно-бытовой канализации предприятия является в основном сбор хозяйственно-бытовых стоков из отдельных цехов, транспортировка их за пределы завода и очистка на очистных сооружениях до состояния, при котором очищенные стоки могут быть сброшены в водоем или использованы в производстве.

Практически в большинстве случаев хозяйственно-бытовую канализацию сооружают для всего района, включая промышленные предприятия и жилье.

В хозяйственно-бытовую канализацию рационально отводить ряд стоков металлургических и вспомогательных цехов, биологическая очистка которых совместно с бытовыми стоками наиболее целесообразна. К таким стокам следует отнести: фенольные воды коксохимического производства, конденсат из газопроводов коксового и доменного газа, стоки заводских лабораторий содержащих химические соединения, стоки от гаражей.

Для хозяйственно-бытовой канализации завода характерно наличие больших сосредоточенных расходов бытовых стоков от бытовых помещений, в которых располагаются столовые и душевые. Расход воды от душевых составляет до 70% от общего количества хозяйственно-бытовых стоков завода. Сброс этих стоков в канализацию осуществляется три раза в сутки по 60 минут после каждой смены.

На металлургических заводах встречаются три системы дождевой канализации:

дождевая канализация, отводящая только дождевые воды;

производственно-дождевая канализация, отводящая дождевые воды совместно с производственными стоками;

общесплавная канализация, отводящая все стоки одной сетью в реку.

Выбор схемы дождевой канализации зависит от многих факторов экономического и экологического плана.

4.6 Нормы водопотребления и схемы водоснабжения

4.6.1 Нормы водопотребления

Система водоснабжения на металлургическом заводе характеризуется большой сложностью и многообразием. В общем случае она определяется следующими основными факторами:

Условия использования воды в технологическом процессе и конструктивное оформление элементов технологического оборудования, расходующего воду;

Требования, предъявляемые технологическим процессам к количеству подаваемой воды (нормы водопотребления), качеству ее, температуре, а также к напору, с которым вода подается к агрегату.

Требования, предъявляемые технологическим процессом в отношении бесперебойности подачи воды.

Кроме этого необходимо принимать во внимание и учитывать:

а) выбор схемы водоснабжения завода;

б) очистку сточных вод;

в) утилизацию полезных составляющих в сточных водах.

Отметим только основные факторы, влияющие на величину потребления воды в различных производствах. Нормы водопотребления могут быть определены теоретическими расчетами и проверены практическими замерами расходов воды на действующих агрегатах. Таким путем можно получить так называемые рекомендуемые нормы. Эти нормы уточняются проверкой их на практике и не являются постоянными.

Вопрос о нормах водопотребления тесно связан с вопросом о необходимых напорах, требуемых в подводящей водопроводной сети к тем или иным потребителям. Величина напора зависит в первую очередь от гидравлической характеристики конструкций к которым подается вода. Во многих конструкциях движение воды происходит с резкими поворотами; площадь сечения пропускающего воду непостоянна, а это приводит к застаиванию воды в неблагоприятных участках конструкций.

На величину напора в подводящей сети, помимо конструкции водопотребителя, влияет такие состояние его внутренней поверхности, которая меняется во время эксплуатации системы вследствие отложения механических примесей, солей, а также коррозирующего влияния охлаждающей воды. Напор в подводящем трубопроводе обычно исчисляется от уровня головни железнодорожного рельса в цехе и должен быть равен:

H = h + ?h + ?К

где, h - необходимый напор в сети перед вводом в агрегат,

?h - высота расположения охлаждаемого элемента над уровнем головки рельса,

?К - сумма потерь напора в подводящей цепи в самом водопотребителе и в обратной сети до сброса в заводскую систему канализации.

Необходимые напоры в каждом случае могут быть определены теоретически на основе гидравлического расчета охлаждаемой системы. Необходимый напор во всей общезаводской системе водоснабжения должен составлять 30-50 м.

На нормы водопотребления влияет перепад температуры воды, то есть разница температур до и после охлаждаемого элемента. Меньшую роль играет начальная температура воды, т.к. разность между температурой охлаждаемого агрегата (например, доменной печи) и температурой охлаждающей воды настолько велика, что небольшие колебания начальной температуры воды практически не отражаются на указанной разности и поэтому не влияют на количество уносимого водой тепла от охлаждаемого элемента, а следовательно, и на расход воды.

Указанное, однако, не относится к конденсаторам паровых турбин, где начальная температура охлаждающей воды существенно влияет на коэффициент полезного действия всей установки. Температура подаваемой воды влияет также на охлаждение газа в системах газоочистки доменных и сталеплавильных печей, т. к. по техническим условиям температура газа после его охлаждения не должна превышать 30-40єС.

На допустимую предельно высокую температуру воды существенно влияет ее качество. В случае, когда охлаждаемая вода содержит большое количество солей, создается угроза отложения этих солей как в трубопроводах, так и в агрегатах, а это влечет за собой преждевременный выход их из строя.

Следует различать три вида норм водопотребления:

Укрупненные нормы для подсчета расходов воды по всему заводу, применяемые в технико-экономическом обосновании строительства завода.

Нормы водопотребления, отнесенные на 1 т выпускаемой данным агрегатом продукции.

Нормы водопотребления, отнесенные к агрегату, независимо до его производительности, т. к. при эксплуатации эти нормы не меняются.

В качестве примера в таблице приведены укрупненные нормы водопотребления для заводов черной металлургии, отнесенные к производительности всего предприятия с собственным энергохозяйством (ТЭЦ, ПВС, кислородная станция и др.)

Наименование завода, цеха	Вид продукции	Расход воды, мі/т	Сточные воды и очищ.. бытовые мі/т	Безвозвратные потери воды
		Всей произв.	Из источника
			Свежей произв.	питьевой
Завод с полным оборотом воды	чугун	320	16,0	1,30	1,20	13,0 - 15,0
	сталь	290	20,0	1,20	0,80	14,0 - 16,0
	прокат	340	17,0 1,40 1,0 13,0 - 15,0 Завод с последоват. использов. воды и частичным оборотом чугун 320 270 1,30 1,20 10,0 - 11,0 сталь 290 250	1,20	0,80	10,0 - 11,0
	прокат	340	290	1,40	1,0	10,0 - 11,0
Доменный цех Конверторный цех Прокатный цех (блюминг) (листостан)	Чугун	25,0-27,0	1,25-1,35	0,02-0,04	0,01	1,0 -1,3
	Сталь	6,0-7,5	0,1-0,2	0,07-0,08	0,05-0,06	0,08-0,16
	Прокат	6,0-9,0	0,4-0,5	0,04	0,03	0,2-0,4
	прокат	30,0-40,0	1,8-2,4	0,03	0,02	1,5-2,0

4.6.2 Схемы водоснабжения

Технико-экономические показатели системы водоснабжения завода в значительной степени зависят от правильного выбора схемы на который влияют следующие факторы: а) водопотребление завода (расход воды подаваемой к потребителю); б) наличие естественных источников водоснабжения вблизи завода; в) расстояние до источника водоснабжения; г) разность отметок между среднем уровнем площадки завода и среднегодовым уровнем воды в источнике; д.) условия охраны водоема от загрязнений производственными сточными водами с учетом требований смежных предприятий и населенных пунктов.

Все водопотребители завода могут быть разбиты на две категории:

водопотребители, дающие сточную воду только в подогретом виде без каких-либо химических и механических примесей. К ним относятся: конденсаторы силовых установок, кислородные станции, холодильники доменных и электросталеплавильных печей и др.;

водопотребители, дающие сточные воды, содержащие химические или механические примеси.

При любой схеме водоснабжения водопотребители второй группы снабжаются водой только по оборотной схеме, так как требования к качеству воды, выпускаемой в водоем, более высокие, чем к качеству воды, подаваемой к потребителю.

Водопотребители первой группы могут снабжаться водой по любой схеме в зависимости от местных условий, к ним предъявляется только одно требование, чтобы подогретая вода при поступлении в водоем превышала температуру воды в водоеме зимой не более чем на пять градусов, а летом не более чем на три градуса.

При выборе схемы необходимо учитывать, что существенную роль играют расходы так называемой свежей воды, забираемой из источника водоснабжения, и безвозвратные потери воды на заводе. Эти обстоятельства играют особо важную роль в тех случаях, когда вблизи завода нет мощных источников водоснабжения.

Прямоточная схема, при которой вода забирается из источника, проходит через агрегат и поступает обратно в источник. Такие схемы возможны только при очень больших источниках водоснабжения и на заводах, расположенных на берегу больших водохранилищ, например, завод «Азовсталь», завод имени Дзержинского и др.

Схема с последовательным использованием воды, при которой вода, прошедшая одного потребителя, подается к другому, а от него или сбрасывается в канализацию, или поступает к третьему потребителю, при этом вода поступает к следующему потребителю непосредственно от предыдущего или после соответствующей очистки или охлаждения, а возможно после того и другого.

При схеме с последовательным использованием расход свежей воды сокращается примерно в два раза, тогда как безвозвратные потери воды сохраняются примерно такими же, как и при прямоточной схеме.

Схема с оборотно-последовательным использованием воды находит применение, когда источник водоснабжения не обладает мощностью, достаточной для завода воды при прямоточной схеме и при схеме с последовательным использованием воды. Заключается она в следующем: водопотребители, дающие условно чистую воду, снабжаются водой по оборотной схеме.

Возможны следующие варианты схемы с оборотно-последовательным использованием воды:

Большинство цехов имеет прямоточное или последовательное водоснабжение, но часть цехов имеет оборотное водоснабжение по необходимости, например из-за невозможности выпуска в водоем большого количества загрязненной воды или из-за недостатка воды для прямоточного водоснабжения всех потребителей.

Большинство цехов имеет оборотное водоснабжение, а небольшая часть цехов - прямоточное. Такая схема наиболее приемлема в тех случаях, когда по местным условиям (маломощный источник, большое расстояние до него, большое превышение площадей завода над источником) целесообразно оборотное водоснабжение, но для отдельных цехов такое водоснабжение невозможно вследствие загрязнения отработавшей воды и затруднительности ее обработки ввиду особой требовательности цеха к температуре или к качеству воды.

Наиболее требовательные в отношении температуры потребители получают воду из источника, а остальные потребители используют воду последовательно, отработавшую у первых потребителей, а сами находятся на оборотном водоснабжении, т. е. получают воду как добавочную в оборотные циклы.

Есть и другие варианты осуществления данной схемы, если, например, источник водоснабжения одновременно является и охладителем воды и т.д.

При схеме с оборотно-последовательным использованием воды от источника водоснабжения забирается примерно 1/5 часть всей воды, расходуемой на заводе.

Оборотная схема водоснабжения, при которой все потребители снабжаются водой по замкнутому циклу. Применяется эта схема в тех случаях, когда источник водоснабжения обладает мощностью, достаточной только для покрытия безвозвратных потерь воды в оборотных циклах отдельных водопотребителей, или в тех случаях, когда источник водоснабжения удален более чем на 1 - 2 км от завода и разность отметок уровней площадки завода и водоема превышает 20-25 м.

Оборотное водоснабжение с охлаждением воды в пруде принципиально решается так же как и прямоточное. Основная сложность этого варианта возникает в связи с необходимостью строительства дополнительных сооружений (плотины) подготовки водохранилища перенесением населенных пунктов. Эксплуатация таких прудов-холодильников может быть в ряде случаев очень сложной - регулярные наблюдения за температурным режимом в пруде, предотвращение заливания и цветения водохранилищ. Для этого нужны землечерпательные машины, химикаты, занятость большого числа рабочих и т.д.

Имеются и другие показатели оценки различных схем водоснабжения - эти оценки технического характера: а) надежность; б) простота устройства; в) простота эксплуатации; г) размер требуемой площадки для сооружения системы; д.) дефицитность материалов и оборудования, возможность использования местных строительных материалов.

4.7 Дисистеризация и автоматизация в системах водоснабжения

Для систем водоснабжения металлургических заводов характерным является разбросанность входящих в них сооружений по территории предприятия и вне его, значительная протяженность и разветвленность коммуникаций. В то же время все объекты системы водоснабжения завода технологически тесно между собой связаны и поэтому требуют централизованного управления и контроля за работой всех сооружений системы.

Оно осуществляется с диспетчерского пункта системы (ДП), оснащенного техническими средствами дающими возможность получать подробную информацию о состоянии всех элементов системы, автоматически воспроизводить и обрабатывать эту информацию, непосредственно с ДП управлять отдельными насосными агрегатами, и другим оборудованием.

Система диспетчерского управления водоснабжением является составной частью автоматизированной системы управления производством (предприятием) (АСУП) и, помимо централизации управления, позволяет с помощью вычислительной техники решать задачи оптимизации работы сооружений водоснабжения, наибольшей ее экономичности и надежности.

Диспетчерский пункт водоснабжения наиболее целесообразно размещать вместе с ДП других энергетических систем предприятия (электроснабжение, газоснабжение, теплосиловое хозяйство), вычислительным центром.

Максимальный технический и экономический эффект диспетчеризации может быть получен только при сочетании ее с комплексной автоматизацией отдельных сооружений системы водоснабжения. Такое сочетание позволяет эксплуатировать большинство объектов водоснабжения без постоянного дежурного персонала одновременно повышая надежность водоснабжения и оперативность управления системой, сокращая капитальные и эксплуатационные затраты.

В системах водоснабжения автоматизируются:

работа элементов, участвующих в изменении нормального технологического процесса в соответствии с заданной программой (регулирование производительности насосов, промывка фильтров, работа вентиляторов и т.п.)

работа элементов, обеспечивающих возможность быстрой канализации аварий и выполнение оперативных переключений (например, автоматическое включение резервных насосов, отключение отдельных участков сети и т.п.)

вспомогательные процессы, обеспечивающую нормальную работу установки или сооружения без вмешательства дежурного персонала ( залив насосов, удаление вод, отопление и т.п.)

5. Кислородное хозяйство предприятий

5.1 Применение кислорода и продуктов разделения воздуха

Применение кислорода и продуктов разделения воздуха позволяет интенсифицировать технологические процессы в черной и цветной металлургии, химии, машиностроении и других отраслях промышленности, что в конечном итоге способствует увеличению выработки продукции, улучшению ее качества и снижению себестоимости. Технологический кислород используют в процессах газопламенной обработки металлов в сварке, кислородной резке, поверхностной закалке, металлизации и др.

Химическая промышленность является крупнейшим потребителем кислорода и азота, которые служат исходными веществами для получения искусственного жидкого топлива, смазочных масел, азотной и серной кислоты, аммиака, минеральных удобрений и других химических продуктов. Азот применяют также в качестве инертной защитной среды при переработке нефти. Широкое применение находят водород и гелий. Особенно перспективно использование водорода, так как он является высококалорийным топливом; при его сгорании образуется вода, что не приводит к загрязнению окружающей среды.