Энергетическое обеспечение производства

Особо важную роль играет кислород в интенсификации ряда пирометаллургических процессов. Полная или частичная замена поступающего в металлургические агрегаты воздуха кислородом изменила физико-химические свойства процессов, их технологические параметры и технико-экономические показатели. Кислородное дутье позволило сократить потери тепла с отходящими газами, значительную часть которых при воздушном дутье составлял азот. Не принимая существенного участия в химических процессах, азот замедлял течение реакций, уменьшая концентрации составных реагентов окислительно-восстановительной среды. При продувке кислородом снижается расход топлива, улучшается качество металла, в металлургических агрегатах возможно получение новых видов продукции (например, шлаков и газов необычного для данного процесса состава, находящих техническое применение) и др.

5.1.1 Получение кислорода

Существует два основных способа получения кислорода: электролизный (электролиз воды) и физический (разделение воздуха). Электролизным способом кислород добывают как побочный продукт при производстве водорода. Для получения 2м3 водорода и 1м3 кислорода затрачивается 12-15 кВт. час электроэнергии.

Разделение воздуха является основным способом получения кислорода. Осуществить разделение воздуха в обычном газообразном состоянии трудно, поэтому воздух сначала сжимают, а затем разделяют на составные части. Такой способ получения кислорода называют разделением воздуха методом глубокого охлаждения. Сначала воздух сжимается компрессором, затем после прохождения теплообменников, расширяется в машине-детандере или дроссельном вентиле, в результате чего охлаждается до температуры 93 К (-180 С) и превращается в жидкий воздух. Дальнейшее разделение жидкого воздуха, состоящего в основном из жидкого азота и жидкого кислорода, основано на различии температуры кипения его компонентов t кип О2 (-182,9С), t кип N2 (-195,8С). При постепенном испарении жидкого воздуха сначала выпаривается преимущественно азот, а остающаяся жидкость все более обогащается кислородом. Повторяя подобный процесс многократно на ректификационных тарелках воздухоразделительных колонн получают агентов воздух, воду и лед.

К числу процессов, осуществляемых при искусственном охлаждении относятся некоторые процессы абсорбции, процессы кристаллизации, разделения газов, сублимационной сушки и др. Искусственное охлаждение широко применяется в различных других областях народного хозяйства, например, для хранения пищевых продуктов, замораживания грунтов, кондиционирования воздуха и т.д. Большое значение приобретают холодильные процессы в металлургии, электротехнике, электронике, ядерной, ракетной, вакуумной и других отраслях техники.

Известны различные способы получения низких температур. Выбор способа зависит от температурного уровня охлаждения, преследуемой цели (сжижение газа или охлаждение какого-либо объекта), масштабов и других факторов.

При переносе теплоты от тела с более низкой температурой к телу с более высокой температурой необходимо совершить работу. Это требование 2-го закона термодинамики предусматривает изменение некоторых параметров состояния (из уравнения Клапейрона-Менделеева pV = MRoT ), приводящих к охлаждению, где М - масса данного количества газа;

R -Ro - ее значение равно работе расширения, совершаемой какой-либо единицей массы газа при нагревании его на 1К при постоянном давлении.

Низкие температуры можно получить следующими способами:

1. Дросселированием газа или пара;

2. Расширением газа в детандере с совершением внешней работы;

3. С помощью фазовых превращений, сопровождающихся поглощением теплоты, например, испарением воды, аммиака, плавления льда или растворения соли;

4. Использованием вихревого эффекта потока газа или пара (труба Ранка);

5. Десорбцией газа и другими способами.

Дросселированием называют снижение давления потока газа (или жидкости) при прохождении его через суженное отверстие при отсутствии теплообмена с окружающей средой, причем поток не производит внешней работы.

Изменение температуры при дросселировании реальных газов объясняется тем, что энталь последних являются функциями не только температуры Т, но и давления р газа:

i = u + pv = Cv * T + uпот + pv

где u - внутренняя энергия реального газа;

v - удельный объем;

Cv - удельная теплоемкость при постоянном объеме;

Cv * T - внутренняя кинетическая энергия молекул газа;

uпот - внутренняя потенциальная энергия газа, равная работе, которую надо затратить на преодоление сил притяжения между молекулами;

pv - объемная энергия газа.

Энергия, необходимая для расширения газа (против сил сцепления между молекулами) при дросселировании, когда нет притока тепла извне, может быть получена только за счет внутренней энергии самого газа.

Подставив в вышеприведенное выражение значения соответствующих членов до и после дросселирования (индексы 1 и 2 относятся соответственно к состоянию газа перед дросселированием и после него) выразим постоянство энтальпии при дросселировании равенством:

Cv.Т1 + u1 + p1V1 = Cv * T2 + u2 + p2V2

откуда

Cv . (Т1 - T2 ) = (u2 - u1) - (p1V1 - p2V2).

Последнее выражение позволяет установить возможное поведение реального газа при дросселировании:

Если p2V2 p1V1 , то Т1 - T2 0 и в результате дросселирования температура газа понижается;

Если p2V2 p1V1, однако (u2 - u1) (p1V1 - p2V2), то дросселирование также приводит к понижению температуры газа.

Если в последнем случае (u2 - u1) (p1V1 - p2V2), то после дросселирования температура газа повышается, т.е. Т2 Т1..

Этот способ годится не для всех газов. Некоторые из них, например, водород и гелий, при расширении через дроссельный вентиль, наоборот, нагреваются. Чтобы не дать газу нагреваться, нужно при расширении заставить его совершать работу, например, в поршневом двигателе или турбине. Молекулы газа, ударяясь о поршень или лопатки турбины, отдают им свою энергию, движение их замедляется, и газ остывает, расширительные машины такого типа называют детандерами, с их помощью осуществляют один из важных промышленных способов сжижения газа.

Кроме дросселирования и расширения сжатого газа в детандере (с совершением внешней работы) для охлаждения могут быть использованы физические процессы.

К числу их относятся процессы фазовых превращений (плавление, кипение, сублимация и др.), сопровождающимся довольно значительным поглощением тепла. Для охлаждения можно использовать процесс плавления льда. Однако при этом лед чистой воды дает возможность охлаждения практически лишь до температуры его плавления (0С). Для понижения температуры плавления применяют охлаждающие смеси, состоящие из измельченного льда (или снега) с солью, например, хлористым натрием или хлористым кальцием. Так, смеси растворов хлористого кальция со льдом пригодны для охлаждения до температуры -55С.

При поступлении газа в трубку давление его падает от первоначального (в несколько атмосфер) до атмосферного и газ расширяется. Расширение газа происходит по мере его продвижения в трубке по спирали от периферии к центру. В этом же направлении должна увеличиваться и скорость газового потока, а следовательно, и его кинетическая энергия. Однако вследствие трения между слоями каждый слой газа часть своей кинетической энергии передает соприкасающемуся с ним внешнему слою. Таким образом, внешние слои газа получают от внутренних кинетическую энергию, значительная часть которых расходуется на трение, что и приводит к нагреванию газа во внешних слоях. Внутренние же слои, отдающие часть своей кинетической энергии внешним, имеют более низкую температуру.

Несмотря на относительно низкую термодинамическую эффективность этого способа получения холода, вихревые трубы перспективны для одновременного производства тепла и холода, когда требуется периодически получать небольшие количества холода или если имеются дешевые ресурсы сжатых газов. Основным преимуществом вихревого охлаждения является простота устройства и надежность эксплуатации вихревых труб.

5.2 Физические основы разделения газа

Состав воздуха. Атмосферный воздух представляет собой смесь нескольких газов (таблице 5.1), не связанных между собой химически.

Таблица 5.1 - Компоненты воздуха и их температура кипения

Газ	Концентрация, %	Температура кипения при Ратм, К
	объемная
Кислород	20,946	90,18
Азот	78,084	77,36
Аргон	0,934	87,27
Неон	1,818 * 10-3	27,09
Гелий	5,239 * 10-4	4,21
Криптон	1,14 * 10-4	119,80
Ксенон	0,86 * 10-5	165,05
Двуокись углерода	3,3 * 10-2	216,4

Содержание редких газов в воздухе мало. Однако в настоящее время их широко применяют в разных отраслях народного хозяйства. Поэтому при получении кислорода и азота их попутно извлекают, очищают от примесей и используют по назначению.

Атмосферный воздух содержит ряд примесей вредных для процесса глубокого охлаждения: механические частицы (пыль, сажа и др.), пары воды, двуокись углерода, углеводороды, окислы азота и др. От этих примесей воздух очищают в специальных устройствах перед подачей его в воздухоразделительный аппарат.

Азот и кислород могут смешиваться друг с другом в любых отношениях. Точка кипения жидкости, состоящей из смеси азота и кислорода, меняются в зависимости от содержания в ней кислорода и азота.

Давление и состав насыщенного пара, находящегося в равновесии с N2-О2 жидкостью, зависит от состава жидкости и температуры. Содержание кислорода в газовой фазе всегда значительно ниже содержания его в жидкости, так как кислород и азот при одинаковой температуре имеют различные давления насыщенного пара. При одинаковой температуре давление насыщенных паров азота в несколько раз выше давления насыщенных паров кислорода. Это приводит к тому, что азот как более летучая часть жидкости переходит в пар в большем количестве, чем кислород, который остается преимущественно в жидкости.

Промышленное значение для разделения воздуха на его составляющие имеет метод низкотемпературной ректификации, основанный на различии составов находящихся в равновесии жидких и паровых смесей. Если процесс смещения газов протекает без воздействия на него внешних сил, то обратный процесс сам совершаться не может и требует затраты энергии.

Ректификация воздуха - это многократно повторяющийся процесс конденсации менее летучего компонента (кислорода) и испарения более летучего компонента (азота) в слоях жидкой смеси азота и кислорода, находящейся на тарелках ректификационной колонны.

5.2.1 Ректификация воздуха

Ректификацию осуществляют в специальных аппаратах - ректификационных колоннах. Процесс ректификации основан на явлении конденсации кислорода, процесс обратный испарению, в азотно-кислородной жидкости с одновременным испарением из нее азота. Образующиеся при испарении жидкого воздуха парообразную смесь азота и кислорода пропускают через жидкость с меньшим содержанием кислорода.

Так как жидкость имеет температуру более низкую, чем проходящий через нее пар, то в ней конденсируется кислород и обогащает жидкость, а азот испаряется из жидкости, обогащая пар. Этот процесс происходит при соприкосновении пара с жидкостью, многократно повторяется до тех пор, пока не получится пар, состоящий почти из одного азота, а жидкость из кислорода.

Ректификационная колонна представляет собой цилиндрическую обечайку с расположенными внутри нее параллельно друг другу на определенном расстоянии тарелками могут иметь различную конструкцию.

Сжатый и предварительно охлажденный воздух проходит через змеевик, погруженный в сосуд (куб) с кипящим жидким кислородом. В змеевике охлажденный воздух частично конденсируется, испаряя некоторое количество кислорода из куба. На выходе из змеевика воздух дросселируется, его давление снижается до 0,012-0,013 МПа. Затем воздух поступает на верхнюю тарелку ректифицированной колонны, часть его испаряется, а большая часть стекает по тарелкам в нижнюю часть колонны. Проходя ряд тарелок, воздух обогащается кислородом, контактируя на тарелках с поднимающимися парами. В результате в нижней части колонны (куба) собирается жидкий кислород. Образующиеся в кубе пары кубовой жидкости поднимаются вверх и обогащаются азотом. В верхней части колонны пар содержит около 90% азота и 10% кислорода. Эта смесь выбрасывается в атмосферу, предварительно отдав свой холод сжатому воздуху, поступающему в колонну.

5.2.2 Очистка и осушка воздуха

Удаление механических примесей из воздуха. Пыль и другие твердые примеси, попадая в поршневые компрессоры, вызывают износ их деталей (колец, клапанов, цилиндров). Они загрязняют поверхность труб, ухудшая теплообмен и увеличивая сопротивление в них. В конечном итоге это приводит к уменьшению производительности и к преждевременной остановке дорогостоящего оборудования на ремонт.

Содержание пыли в воздухе промышленных предприятий достигает 0,05 г/м3, поэтому очистка совершенно необходима.

Шторки периодически проходят через резервуар с маслом. Осевшая на сетках пыль остается в резервуаре, таким путем сетки непрерывно очищаются и смачиваются маслом. Скорость движения цепи 1.8 мм\мин. В цепных фильтрах удерживается около 98% пыли, содержащейся в воздухе. Недостаток цепных фильтров - частичное загрязнение воздуха маслом, что нежелательно для турбокомпрессоров.

Аналогично устроены воздушные сетчатые фильтры, состоящие из непрерывно движущейся в вертикальной плоскости фильтрующей бесконечной металлической сетки и масляной ванны. При прохождении через ванну загрязнённые участки сетки отмываются от пыли и вновь промасливаются, а пыль оседает на дне ванны в виде шлама.

В масляной ванне расположено устройство для удаления шлама, механизм промывки сеток, элементы для подогрева масла в зимнее время и масло съемник для снятия излишков масла с сеток. Степень очистки воздуха в таких фильтрах зависит от диспеденоости и концентрации пыли и составляет 90,98% для частиц пыли крупнее 3 мкм., для более мелкой пыли эффективность снижается до 60%.

Пройдя очистку от пыли в самоочищающемся фильтре, воздух поступает во вторую степень камеры фильтров - сухой рулонный фильтр. Материалами фильтров служат упругие маты из синтетических волокон или стекловолокна. Фильтр представляет собой коробчатый каркас с 2-мя катушками, на одной из них намотан чистый материал, на другую - наматываются маты по мере забивки материала пылью. Полотно фильтра имеет длину до 20 м.

На фильтрах установлены датчики давления. По достижению заданного перепада давления автоматически включается электродвигатель и материал фильтра передвигается на определенную длину. После загрязнения всего материала рулон заменяется новым, так как его нельзя использовать повторно.

Пыле емкость матов достигает 1 кг/м2, эффективность очистки от частиц пыли размером до 10мкм составляет около 90%. Воздушные фильтры не требуют специального обслуживания. Необходимо лишь следить за чистотой всасывающей трубы и отсеков пыльной камеры, не допускать скопления в них атмосферных осадков, а также контролировать сопротивление фильтра.

Содержание влаги в воздухе. Водяные пары воздуха, попадая в теплообменные аппараты, трубопроводы и арматуру криогенных установок, блоков разделения воздуха, превращаются в лед и забивают арматуру. В этом случае работа установок становится невозможной.

Количество влаги, содержащей в воздухе, зависит от температуры, давления и относительной влажности ().

Относительной влажностью () называют отношение количества водяных паров, содержащихся в воздухе, к количеству паров, насыщающих воздух при данной температуре. Количество водяных паров в граммах, содержащихся в 1м3 воздуха при данной температуре, называют абсолютной влажностью. Точка росы - температура, при которой в воздухе начинает конденсировать влага.

С повышением температуры, количество водяных паров, насыщающих воздух, увеличивается, а с понижением - уменьшается. При 298К в 1м3 содержится, например, 15г. водяных паров. Наибольшее количество влаги, которое может содержаться в 1м3 воздуха при этой температуре, равно 22,9г. При 298К относительная влажность = 15/22,9.100 = 65,5%. Если этот влажный воздух охладить до 293К, то его относительная влажность возрастет до = 15/17,2.100 = 87%. Таким образом, охлаждение ненасыщенного влажного воздуха приводит к увеличению относительной влажности.

В воздухоразделительных установках осушку воздуха осуществляют в регенераторах, вымораживанием влаги в блоках предварительного охлаждения, адсорбцией влаги селикагелем, активным глиноземом, цеолитами в блоках осушки и очистки воздуха. Эффективность осушки определяют по точке росы.

Метод осушки воздуха вымораживанием неудобен, так как за короткий промежуток времени (30-40 суток) в основном теплообменнике накапливается лед и он забивается. Поэтому его ставят на отогрев для удаления влаги.

Адсорбционный метод осушки основан на свойстве ряда пористых твердых тел-адсорбентов - поглощать водяные пары. Внутренняя поверхность пор достигает у адсорбентов тен квадратных метров на один грамм.

Адсорбция происходит следующим образом. Приближаясь к поверхности абсорбента на расстоянии, соизмеримое с атомными размерами ( 10-8см), молекула водяного пара попадает в электрическое поле поверхностных ионов адсорбента и поляризуется. Поляризованные молекулы водяного пара, удерживаемые поверхностными ионами адсорбента, и составляют адсорбционный слой водяного пара.

Адсорбент, насыщенный влагой, восстанавливают (регенерируют) нагретым в электроподогревателе азотом или воздухом.

Силикагель представляет собой твердое, стекловидное, химически инертное, однородное вещество, состоящее на 99% из двуокиси кремния SiO2, в виде крупных или мелких (3-7 мм) зерен круглой или неправильной формы.

Активный глинозем содержит 92% окиси алюминия, остальное - различные примеси; химически инертен, не ядовит, не растворяется в воде. его выпускают в виде зерен неправильной формы размером 3-7 мм. Он должен поглощать не менее 14 массовых долей влаги от общей массы адсорбента. Его получают обезвоживанием тригидрата окиси алюминия при его термической обработке.

Цеолиты наиболее эффективные адсорбенты. Их иногда называют молекулярными ситами. Цеолиты - это алюмосиликаты щелочного или щелочноземельного металла. Это или природные или синтетические вещества.

5.2.3 Очистка воздуха от двуокиси углерода

Двуокись углерода, попадая в воздухоразделительный агрегат в виде снега, забивает его узлы и арматуру, ректификационные тарелки. Этим самым нарушается нормальная работа установки, вследствие чего блок разделения приходится останавливать на отогрев.

Содержание двуокиси углерода в воздухе колеблется в пределах 0,03-0,04% (по объему). Она замерзает при 216,4К и давлении 0,528 МПа (тройная точка).

В воздухоразделительных установках для очистки воздуха от двуокиси углерода применяются химический или физический метод. При химическом методе воздух, проходя специальные аппараты (декарбонизаторы) скрубберы орошается водным раствором едкого натра. При этом происходит реакция:

2NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O.

Для поглощения 1 кг углекислоты нужно затратить 1,82 кг едкого натра.

Химический метод очистки имеет следующие недостатки: необходимость использования специального оборудования для очистки и приготовления щелочи; невысокая степень очистки; наличие потенциального источника для несчастного случая при работе персонала со щелочью; дополнительные эксплуатационные расходы.

Физические методы очистки основаны на вымораживании, адсорбции и отмывке при низкой температуре кубовой жидкостью. В качестве ее слушки жидкий воздух на тарелках разделительной колонны.

5.2.4 Очистка воздуха от ацетилена и масла

Газообразный и жидкий кислород не представляет опасности, так как не горит и самопроизвольно не взрывается. Опасность взрыва возникает при наличии взрывоопасной системы, т.е. при взаимодействии горючего вещества и кислорода - сильного окислителя. Источником поступления в установку горючих веществ является перерабатываемый воздух, а также компрессоры и детандеры, смазываемые маслом. Несмотря на ничтожное количество опасных примесей, содержащихся в воздухе, они при определенных условиях могут накапливаться в блоке.

В современных условиях атмосферный воздух промышленных районов, где работают воздухоразделительные установки, сильно загрязнен такими веществами как ацетилен, углероды, окислы азота, сероуглерод и т.д.

Необходимым условием защиты воздухораспределительных установок от взрывов является строгий контроль за содержанием в аппаратах разделения опасных примесей. Предельно допустимое содержание (ПДС) примесей составляет 0,04-0,4 мг, в зависимости от типа и режима работы установок.

Для защиты блоков разделения воздуха от взрывов применяются внеблочные и внутриблочные методы, исключающие образование взрывоопасных соединений в блоке. Внеблочные методы защиты от взрывов осуществляются следующими способами:

Подача в установки чистого воздуха путем выбора места устройств по воздухозабору. Учитывать нужно розу ветров и загрязненность местности (вдали от ТЭЦ, коксохимического и доменного производств, хранилищ мазута, шлаковых отвалов, газопроводов и т.п.).

Очистка воздуха от углеводородов методом каталитического окисления. Воздух, вышедший из компрессора, пропускают через реактор с катализатором, где протекает реакция 2С2Н2 + 5О2 = 4СО2 + 2Н2О. Катализатором служит марганцевая руда, обработанная солями серебра или палладия.

Комплексная очистка воздуха синтетическими цеолитами. Цеолиты с порами молекулярных размеров (0,0009 мкм) адсорбируют из воздуха углеводороды при температуре 279-281К.

Очистка воздуха от масла, которое может быть причиной взрыва. Полностью исключить поступление масла в разделительный аппарат установок, где используются поршневые машины, чрезвычайно трудно. Кардинальным решением в этом случае является создание установок, в которых для сжатия и расширения, применяют турбомашины, а также использование в компрессорах и детандерах, не смазываемых антифрикционных материалов.

Внутриблочные методы защиты от взрывов основаны на использовании различных адсорбентов (базальта, гофрированной алюминиевой ленты, силикагеля и т.п.).

6. Основы энерготехнологии и вторичные энергетические ресурсы

6.1 Использование вторичных энергетических ресурсов

Использование вторичных тепловых энергетических ресурсов (ВТЭР), годовой объем которых в России достигает 4 млрд. ГДж, является значительным резервом экономии. Около половины из них относится к высокопотенциальным ВТЭР - это теплота продуктов производства, уходящих газов и др. Низкопотенциальные ВТЭР - это теплота промышленных стоков, конденсата, уходящих газов с температурой ниже 3000 С, оборотного водоснабжения, вентиляционных выбросов и др.

Высокопотенциальные ВТЭР используются примерно на 60 %, что дает экономию порядка 18 млн. т у. т. в год. В значительно меньшей степени используются низкопотенциальные ВТЭР.

Например, на предприятиях угольной промышленности по оценкам специалистов, эффективность капитальных вложений в производство энергии при использовании вторичных энергетических ресурсов в 2-3 раза выше, чем в топливно-энергетической отрасли промышленности. Затраты (капитальные вложения) на строительство утилизационных установок, отнесенные к 1 т. сэкономленного топлива, в 2-2,5 раза меньше, чем расходы на добычу первичного топлива. Себестоимость тепла от утилизационных установок в 4-6 раз ниже, чем от энергосистем, в 8-12 раз ниже, чем от собственных котельных. Кроме того, утилизация низкопотенциальной теплоты оценивается предотвращением экологического ущерба от загрязнения окружающей среды.

В основе пирометаллургических методов получения черных и цветных металлов лежат физико-химические превращения металлосодержащих материалов, позволяющие осуществлять извлечение, рафинирование и тепловую обработку металлов. Подавляющее большинство этих превращений (процессов) происходит с поглощением тепла, а их скорость определяется температурой процесса. Необходимая для этого теплота выделяется в результате горения топлива или преобразования электроэнергии.

Значительная энергоемкость металлургического производства требует постоянной и целенаправленной работы по оптимизации использования топливно-энергетических ресурсов. Кроме топлива и электроэнергии (первичные энергоносители) металлургические предприятия потребляют и другие энергоресурсы - пар и горячую воду, сжатый воздух, кислород, азот и др. Наряду с этим металлургические предприятия располагают значительным количеством вторичных энергоресурсов, использование которых обеспечивает существенную экономию топлива и электроэнергии.

Наибольшая доля расхода топливно-энергетических ресурсов приходится на технологические переделы производства металлов. Именно здесь имеются основные резервы экономии топлива и электроэнергии, так как высокотемпературные процессы имеют относительно низкую эффективность использования теплоты. В целом коэффициент использования топлива по различным технологическим переделам в металлургии составляет 10-40%. Это объясняется тем, что значительная часть вносимой в процессе энергии уходит из агрегатов с газами, шлаками, обрабатываемыми материалами и т.д., которые затем могут быть использованы в виде вторичных энергоресурсов (ВЭР). Например, в мартеновском процессе с уходящими газами теряется до 46,0% всего тепла (в то время как с жидкой сталью уносится 18,0%, а со шлаком 5,3%).

6.2 Роль вторичных энергоресурсов

Вторичные энергетические ресурсы в металлургии могут располагать физической энергией (тепловые ВЭР) химической энергией (топливныеВЭР) и потенциальной энергией (ВЭР избыточного давления).

Нужно подчеркнуть, что значительный выход ВЭР в ряде теплотехнических процессов не является их достоинством. Рационально построенная энергетика технологического процесса должна обеспечивать максимально использование теплоты с минимальными потерями (отходами), что в конечном итоге, должно создавать безотходную технологию. Поэтому проблему ВЭР следует рассматривать с двух точек зрения: развития и совершенствования производства в целях снижения их выхода и, если они образуются, их полного и рационального использования.

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) условно можно разделит на две группы: «высокопотенциальные» ВЭР и «низкопотенциальные» ВЭР. К первым обычно относят нагретые до высоких температур отходящие газы металлургических агрегатов, отходящие газы, содержащие горючие составляющие (например, СО) и т.п. Практика использования этих ВЭР широка.

Низкопотенциальные ресурсы (например, отходящие газы с температурой 3000 С и менее) не только не используются, но и рассеиваются в окружающую среду. По мере совершенствования методов использования высокопотенциальных ВЭР, доля энергии, теряемой с низкопотенциальными ВЭР возрастает. Как использовать эти ресурсы? Несколько путей решения этой проблемы уже решены на практике.

1. Выработка электроэнергии на базе специальных турбин, работающих на легко вскипающих рабочих телах.

2. Использование низко потенциальных ВЭР для обогрева грунта (обогреваемые теплицы).

3. Использование перепада давления при дросселировании газа на газораспределительных станциях и газораспределительных пунктах металлургических заводов.

4. Использование углекислоты, извлекаемой из отходящих газов для получения сухого льда (который затем можно использовать для быстрой заморозки, хранения, сушки продуктов питания и т.п.)

К сожалению, на некоторых предприятиях вторичные энергоресурсы до сих пор считаются бросовыми и, например, в себестоимости утилизационного пара не учитывается стоимость теплоты отходящих газов. На самом же деле затраты живого и овеществленного труда на производство основной продукции есть одновременно и затраты на образование побочной продукции и отходов. Отходы не имеют потребительской стоимости до тех пор, пока не появятся технические возможности их рационального использования. Теплота отходящих газов позволяет получить дополнительную продукцию (пар определенных параметров), имеющую свою потребительскую стоимость. Эта теплота может быть квалифицирована как топливная составляющая в себестоимость утилизационного пара и выступать в форме платы за вторичные энергетические ресурсы. В этом случае себестоимость утилизационного пара в два-три раза ниже себестоимости пара, получаемого от промышленных котельных.

Особую проблему составляет использование низкопотенциальных ВЭР. Их непосредственное применение, как правило, технически сложно. Однако следует помнить, что выход низкопотенциальных ВЭР составляет более половины всех вторичных энергетических ресурсов. Поэтому их эффективная утилизация является одной из важнейших и перспективных задач на ближайшие годы, так как стоимость единицы теплоты при использовании ВЭР в десятки раз ниже стоимости единицы теплоты, получаемой от других источников, с учетом эксплуатационных расходов на доставку и переработку топлива.

6.3 Утилизация теплоты продуктов сгорания

В металлургическом производстве с целью утилизации тепла отходящих газов применяют рекуператоры, регенераторы, котлы-утилизаторы. В этих устройствах использование тепла газов идет в двух направлениях.

1. Тепло отходящих газов расходуется на подогрев воздуха и газообразного топлива, затрачиваемых на отопление печи и, следовательно, снова возвращается в печь. В данном случае утилизация тепла газов непосредственно влияет на работу печи, повышая температуру в печи и увеличивая экономию топлива. Такое использование тепла наблюдается при применении рекуператоров и регенераторов.

2. Тепло газов в печь не возвращается, а используется на обогрев котлов-утилизаторов, в которых вырабатывается пар, характеризуемый высоким давлением и температурой. В этом случае установка котла-утилизатора за агрегатом прямо не влияет на его работу, но дает вполне определенный и значительный эффект по заводу в целом.

С теплотехнической точки зрения утилизация тепла отходящих газов приводит к следующему.

а) Экономия топлива. В топливных печах (в отличие от электрических) тепло получается в результате сжигания топлива за счет воздуха. В общее количество тепла, затрачиваемого на процесс, входит и так называемое физическое тепло топлива и воздуха, под которым понимается количество тепла, которым обладает топливо и воздух, будучи нагретыми до определенной температуры. Поскольку на нагрев металла до заданной температуры в конкретной печи требуется строго определенное количество тепла, то, очевидно, что чем выше доля физического тепла в общем тепле, тем ниже доля химического тепла топлива, т. е. тем меньше топлива надо затратить на нагрев.

Чем выше степень утилизации, то есть чем выше нагревается топливо и воздух и, следовательно, ниже температура дымовых газов, уходящих из рекуператора или регенератора, тем выше экономия топлива, так как большая часть тепла снова возвращается в печь.

б) Повышение температуры. Известно, что при сжигании топлива выделяется тепло, которое нагревает продукты сгорания до определенной температуры, называемой температурой горения.

Температура горения равна:

t = Qнр /Vпр * Ср * С

где Qнр - низшая теплота сгорания топлива, кДж / кг или кДж / м3;

Vпр - объем продуктов, образующиеся при полном сжигании единицы топлива, м3 / кг, или м3 / м3;

Ср - средняя удельная теплоемкость продуктов сгорания, кДж/(кг * град), или кДж/ (м 3* град).

Если газ и воздух были подогреты до какой-либо температуры и, следовательно, обладали физическим теплом Qф, то это тепло тоже будет расходоваться на подогрев продуктов сгорания. Следовательно, в числителе надо прибавить Qф и тогда

* C0

Видно,что чем больше Qф (Qнр для каждого вида топлива есть величина постоянная), тем больше числитель и выше, следовательно, температура горения топлива.

в) Интенсификация горения топлива. Кроме экономии топлива и повышения температуры горения его, подогрев топлива и воздуха приводит к более интенсивному протеканию самих реакций горения топлива. Так, например, максимальная скорость горения водорода при подогреве со 100 до 400 градусов увеличивается более чем в четыре раза. При сжигании жидкого топлива процесс горения интенсифицируется за счет ускорения процесса испарения жидкого топлива и, следовательно, образования газообразной смеси.

6.3.1 Рекуператоры

Слово рекуперация (от слова рекуператор - обратный получатель) означает возвращение энергии, израсходованной один раз при проведении процесса, для повторного использования в этом же процессе.

Керамические рекуператоры используют на печах, где температура отходящих дымовых газов равна 1000-14000 С и обеспечивают подогрев воздуха до 800-9000 С, а иногда и до 11500 С.

6.3.2 Регенераторы

Регенератор - аппарат периодического действия, в котором дымовые газ отдают теплоту аккумулирующему устройству (насадке). После того как насадка будет достаточно нагрета, в неё подают холодный воздух. Нагрев воздуха сопровождается охлаждением насадки. Затем подачу воздуха прекращают и в насадку вновь подают дымовые газы. Таким образом, в насадке регенератора происходят повторяющиеся циклы охлаждения горячих и нагрев холодных газов. Чтобы в печь воздух подавался непрерывно, её оборудуют двумя регенераторами. Если через один из них пропускают дымовые газы и он при этом нагревается, то через другой пропускают в это время воздух и насадка его охлаждается. Через определенное время цикл нагрева и охлаждения насадок меняется на обратный.

Насадку регенератора набирают из огнеупорного кирпича по системе Каупера и Сименса. Насадку Каупера выполняют так, что кирпичи образуют длинные, не соединяющиеся друг с другом вертикальные каналы. В насадке Сименса кирпичи располагают крест-накрест, образуя вертикальные каналы, соединяющиеся друг с другом по всей длине. Такое расположение кирпичей турбулирует поток газа, интенсифицирует процесс передачи тепла и создает большую поверхность нагрева.

В регенераторах воздух нагревают до 1000-12500 С, а температура дымовых газов на входе в регенератор может достигать 1550-16000 С.

6.3.3 Котлы утилизаторы

В отличие от теплообменных аппаратов рекуперативного и регенеративного типа в котлах-утилизаторах тепло дымовых газов используют не на нагрев воздуха или низкокалорийного газообразного топлива, а на подогрев воды выше температуры кипения для получения пара высокой температуры и высокого давления.

Наиболее широко котлы-утилизаторы применяют в сталеплавильном производстве, где все конвертера, и электродуговые печи оборудованы ими. Котлы-утилизаторы устанавливают в непосредственной близости от источника уходящих газов.

Давление вырабатываемого пара составляет 180-450 Н/см2 или 18 и 45 ат температура которого соответственно 340 и 3700 С. Пар таких параметров может быть использован для привода турбин эксгаустеров, турбокомпрессоров и турбовоздуходувок, турбогенераторов небольшой мощности и т. д. Удельная выработка пара составляет 0,30-0,35 т. пара на 1 т. стали при температуре газов, уходящих из котла 250-3000 С.

6.3.4 Испарительное охлаждение печей

В промышленных печах ряд узлов и деталей, выполненных из различных материалов и сплавов и работающих при высоких температурах, можно длительно эксплуатировать лишь при условии интенсивного их охлаждения. При этом охлаждаемые элементы отнимают значительное количество теплоты, выделяемой при горении топлива или электрическими нагревателями. В тепловых балансах печей эта статья может достигать 30%. Поэтому излишнее количество охлаждаемых элементов и чрезмерная подача теплоотводящей среды приводят к значительному перерасходу топлива и электроэнергии. На охлаждение печей расходуют более половины всей воды, потребляемой металлургическим заводом.

Для снабжения цехов водой на заводах строят специальные водяные насосные станции, а одним из критериев выбора площадки их строительства является наличие близко расположенных источников воды.

Все системы охлаждения металлургических печей можно разделить на пять групп:

охлаждение холодной технической водой;

охлаждение горячей химически очищенной водой;

испарительное охлаждение;

испарительное охлаждение в комплексе с использованием тепла отходящих газов;

замкнутое охлаждение с парообразованием вне охлаждаемой детали.

Основным охлаждающим элементом (теплоносителем) в указанных системах является вода или пароводяная смесь. Физические свойства воды достаточно хорошо удовлетворяют требованиям, предъявляемым к теплоносителям. Удельная теплоемкость воды больше удельной теплоемкости большинства других жидкостей и возрастает с повышением температуры. Для водяного охлаждения применяют техническую воду, содержащую растворенные соли и технические взвеси. При нагревании воды до температур выше 500 С происходит выпадение растворенных в ней солей и образование накипи, ухудшающей отвод теплоты, что в итоге приводит к прогару охлаждаемых элементов. Для предотвращения отложения накипи температура нагрева воды в зависимости от содержания солей не должна превышать 50-400с. Прошедшая через охлаждаемые элементы вода не обладает достаточным запасом теплоты и не может быть использована даже на бытовые нужды.

Холодная неочищенная вода поступает в охлаждаемый элемент, отбирает от ее стенок тепло, нагреваясь при этом до 30-40 С. Такая система требует больших расходов воды, кроме того, вследствие низкой температуры уходящей воды исключается возможность использования ее тепла.

Сущность метода охлаждения горячей химически очищеной водой. Химически очищенная вода начальной температурой 70 С поступает в охлаждаемый элемент и, отбирая тепло от ее стенок, нагревается до 95 С.

Преимуществами такой системы является возможность использования тепла уходящей воды (например, для теплофикации жилых и производственных помещений), отсутствие накипи на стенках охлаждаемых деталей, а также меньший расход охлаждающей воды.

При испарительном охлаждении химически очищенная вода, поступающая в элемент, доводится до кипения и превращается в пар. Замена холодной воды на кипящую позволяет значительно повысить коэффициент теплоотдачи от охлаждаемой поверхности. Для обычной воды он составляет 2-5 кВт /(м2 град),а при парообразовании его значение вырастает до 20-50 кВт (м2 град), т.е увеличивается на порядок. При испарительном охлаждении с каждым киллограммом воды отводится приблизительно 2500 кДж тепла вместо 40-45 КДж при водяном охлаждении, что позволяет сократить расход воды примерно в 60 раз и более.

Непрерывная циркуляция воды в системе с естественной циркуляцией обеспечивается за счет разности удельных весов воды (в опускной трубе) и пароводяной смеси (в подъемной трубе). Образующаяся в охлаждаемом элементе пароводяная смесь по удельному весу легче воды; она поднимается вверх и попадает в барабан- сепаратор, где разделяется (сепарируется) на воду и пар. Пар направляется к потребителю, а вода - по опускной трубе - снова к охлаждаемому элементу. Потери воды из системы в виде пара восстанавливаются химически очищенной водой, подаваемой насосами в барабан- сепаратор. Для улучшения естественной циркуляции барабаны- сепараторы необходимо устанавливать как можно выше над охлаждаемым элементом.

Недостатком такой системы является низкое давление получаемого пара, составляющее 5-20 Н/см2, или 0,5-2,0 ат. Получение пара более высокого давления невозможно из-за того, что конструкция охлаждаемых деталей в виде полых коробок не выдерживает повышенных давлений.

В системе с принудительной циркуляцией рисунок 6.7 циркуляция воды в контуре барабан - сепаратор - охлаждаемый элемент осуществляется специально установленным циркуляционным насосом. Переход от коробчатых конструкций охлаждаемых деталей к трубчатым и сверленым позволяет применить систему с принудительной циркуляцией и довести давление пара до 300-400 Н/см2 или 30-40 ат.

Остальные способы по существу являются разновидностями испарительн6ой системы охлаждения.

По сравнению с водяным охлаждением система испарительного охлаждения имеет следующие преимущества:

срок службы охлаждаемых элементов увеличивается в 10-15 раз;

исключаются горячие ремонты печей из-за прогара его отдельных элементов, так как при использовании химически очищенной воды не образуется накипь;

отпадает необходимость в создании дорогостоящих охладительных сооружений: градирен, брызгальных бассейнов, прудов-охладителей, водоводов, мощных насосных станций;

значительно уменьшаются диаметры труб водоводных систем;

наращивают мощности насосных станций вследствие уменьшения расходов воды;

в процессе охлаждения вырабатывается дополнительное количество пара энергетических параметров.

Однако следует учитывать, что испарительное охлаждение требует установки дополнительного оборудования (циркуляционных насосов, баков с питательной водой, отпускных труб, установок химической очистки воды) и не исключает возможности попадания воды в рабочее пространство, которое может привести к взрывам и выбросам расплава металла.

6.4 Утилизация теплоты готового продукта и шлака

Физическая теплота горячих продуктов различных переделов черной и цветной металлургии может быть использована непосредственно в последующей технологической операции, в теплообменных холодильниках с последующим ее возвратом в данный процесс или для производства пара и горячей воды.

Например, в цветной металлургии многие тепловые агрегаты входят в единую технологическую схему, поэтому готовый продукт одной печи может являться исходным для последующего агрегата. Так, медный штейн, полученный в отражательной или шахтной печи, в расплавленном состоянии поступает в конвертерный цех для дальнейшей переработки. В этом случае физическая теплота штейна входит в тепловой баланс конвертера в качестве одной из приходных статей.

Примером использования теплоты готового продукта являются холодильники вращающихся печей. Они выполняют две функции: технологическую - охлаждают бокситовый или нефелиновый спек, глинозем или другие материалы, и теплотехническую - используют отводимую теплоту на подогрев воздуха, необходимого для сжигания топлива. При этом качество спека в значительной степени зависит от условий охлаждения, и подогрев воздуха позволяет экономить топливо.

Актуальным вопросом комплексного использования энергетических ресурсов является утилизация теплоты отвальных шлаков. Отвальные шлаки составляют значительную долю в материальном и тепловом балансах всех основных процессов металлургии. Так выход шлака на 1 т выплавляемого металла может колебаться от 2-4 т (при выплавке свинцовых руд) до 8-12 т (при выплавке никелевых руд). Количество теплоты со шлаком в тепловом балансе составляет от 10-25% (отражательная плавка и конвертерный передел) до 30-40% (шахтная плавка никелевых руд). При этом температура жидких шлаков может достигать 1300-14000 С. Понятно, насколько велико экономическое значение проблемы утилизации этой теплоты.

Одновременно с этим необходимо решать вопрос о возможности использования самих шлаков. Они могут выступать в качестве нерудного материала, искусственного пористого наполнителя, силикатно-бетонных и минерало-ватных изделий. Экономия от рационального использования шлаков для производства строительных материалов может быть очень существенной. Однако при этом следует учитывать, что шлаки цветной металлургии хотя и являются отвальными, но содержание ценных компонентов в них нередко равно или даже выше, чем в некоторых рудах. Сейчас уже разработаны технологические процессы переработки таких шлаков. Но даже после грубого извлечения цветных шлаков использование отвальных шлаков не всегда рационально. В некоторых случаях их целесообразно использовать в качестве удобрения, так как они содержат различные микроэлементы.

6.5 Применение тепловых насосов для утилизации низко потенциального топлива

Наиболее эффективным средством, позволяющим утилизировать низко потенциальную энергию практически любых промышленных и бытовых выбросов, могут служить тепловой насос (ТН) и теплонаносные установки (ТНУ).

Принцип действия теплового насоса основан на фундаментальных законах термодинамики. Тепло всегда передается от тепла с большей температурой менее нагретому, точно так же, как вода всегда течет сверху вниз и никогда сама по себе не поднимается снизу вверх. Но с помощью насоса можно заставить жидкость двигаться по трубам «в гору». Подобно гидравлическому насосу ТН может передавать тепло окружающей среды телу, имеющему более высокую температуру.

Тепловые насосы, или термотрансформаторы, - это экологически чистые компактные фреоновые установки (агрегаты), позволяющие получать тепло и горячее водоснабжение (ГВС) за счет использования тепла низкопотенциального источника (НПТ) путем передачи его к теплоносителю более высокой температуры (ВПТ). В качестве источника НПТ могут быть использованы промышленные и очищенные бытовые стоки, вода технологических циклов, тепло грунтовых, термальных вод, воды рек, озер, морей, систем водо- и тепло снабжения, тепло, получаемое при очистке дымовых газов и любых других сбросных потоков.

Тепловые насосы - единственные установки, которые производят в 3-7 раз больше тепловой энергии, чем потребляют электрической энергии на привод компрессора.

Тепловые насосы используются для автономного обогрева и ГВС жилых и производственных зданий, для охлаждения и поддержания постоянной температуры воды технологических циклов, что позволяет контролировать и регулировать температурные режимы теплоносителей, а также заменить громоздкие, дорогостоящие и загрязняющие окружающую среду системы открытого типа, например градирни.

В настоящее время практическое значение приобрели компрессионные и абсорбционные тепловые насосы.

Парокомпрессионный фреоновый ТН представляет собой двухконтурный аппарат, где фреоновый контур является герметичным. Передаче тепла от источника НПТ к фреону и от фреона к воде закрытой системы отопления происходит в кожухотрубных теплообменниках.

ТН состоит из двух агрегатов-компрессорного и испарительно-конденсаторного (АИК). Аппарат компрессорной содержит компрессор с регулятором производительности, электропривод (могут использоваться другие приводы, например, дизели, газовые двигатели и т.п.), масло делитель, маслонасос, а также фильтры, запорную арматуру, трубопроводы и систему автоматизации. АИК состоит из конденсатора, испарителя, теплообменника, переохладителя, фильтра-осушителя, системы подачи жидкого фреона в испаритель. Оба агрегата - компрессорный и АИК - устанавливаются рядом, жестко закрепляются на фундаментах и соединяются между собой трубопроводами нагнетания и всасывания. Возможно и моноблочное исполнение теплового насоса.

В тепловом насосе обеспечивается замкнутый цикл движения фреона. Жидкий хладагент поступает в испаритель, где он находится в межтрубном пространстве, а по трубам испарителя проходит вода от низкопотенциального источника. Дроссельное устройство ТН автоматически настроено так, что жидкий фреон, поступивший в испаритель, имеет температуру кипения на несколько градусов ниже температуры воды низкотемпературного источника. По этой причине происходит кипение фреона в испарителе, при этом вода самого низкотемпературного источника охлаждается и сбрасывается. Сухие пары фреона, полученные за счет охлаждения низкотемпературного источника, всасываются компрессором и сжимаются, при этом повышаются давление и температура паров фреона. Термодинамические свойства фреона таковы, что чем больше давление паров, тем выше температура кипения и конденсации. После компрессора фреон поступает в межтрубное пространство конденсатора, по трубам которого проходит вода, циркулирующая в системе отопления. Так как вода имеет температуру ниже требуемой для конденсации сжатого фреона, последний сжимается и в жидком виде направляется в переохладитель, где также отдает тепло воде из системы ГВС, нагревая ее. Фреон при этом охлаждается, после чего через дроссель опять возвращается в испаритель. Цикл завершен.

Для работы теплонасосной установки необходимо постоянный источник воды, а также электроэнергия на привод компрессора и циркуляционных насосов.

В адсорбционном тепловом насосе вместо механической энергии используется тепло, а в качестве рабочей среды - смесь двух жидкостей (например, жидкий аммиак-вода). При нагреве летучие компоненты испаряются, а после теплоотдачи снова абсорбируются.

Энергетическая эффективность обратного термодинамического цикла оценивается так называемым коэффициентом преобразования, который определяется как отношение суммы утилизированного тепла и превращенной в тепло механической работы, затраченной на сжатие хладагента, к величине этой работы. Коэффициент тем больше, чем меньше разность температур испарения и конденсации хладагента, обусловленная различием давления в испарителе и конденсаторе. А чем больше коэффициент преобразования, тем меньше затрачивается механическая энергия.

Со времен создания первой отопительной системы по принципу теплового насоса прошло уже около 50 лет. И хотя ТНЦ распространились по всему миру, область их применения до недавнего времени была ограничена преимущественно бытовой сферой. Однако в последние годы их начали внедрять на промышленных предприятиях многих отраслей в развитых странах. Многие специалисты считают, что ТНЦ в ближайшей перспективе займут основное место в низкотемпературных системах теплоснабжения.

Важнейшей особенностью ТНЦ является универсальность по отношению к виду первичной энергии, возможность использования практически всех видов энергии, поскольку компрессор ТНЦ может приводиться в действие механическим, электрическим и любым тепловым двигателем. Это способствует оптимизации топливного баланса с замещением дефицитных энергоресурсов менее дефицитными.

Вторым преимуществом ТНЦ является универсальность по отношению к уровню мощности, изменяющейся от долей до десятков тысяч кВт и по существу перекрывающей мощности всех существующих теплоисточников, включая малые и средние ТЭЦ. С учетом многообразия целевых назначений это обеспечивает максимальные масштабы потенциального использования ТНЦ.

Третье преимущество ТНЦ связано с весьма крупным энергосберегающим эффектом, изменяющимся в зависимости от типа ТНЦ и замещаемого теплоисточника от 20-30 до 50-70%. Универсальность, позволяющая замещать и крупные котельные, и менее низкоэффективные электронагреватели или теплогенераторы, обеспечивает и максимальную абсолютную экономию топлива. К примеру, она может многократно превысить экономию от традиционной теплофикации.

Крупным преимуществом схем теплоснабжения с электрическими ТНЦ является их высокая экологическая эффективность. ТНЦ даже могут улучшить экологическую обстановку, снижая тепловое загрязнение окружающей среды.

Как свидетельствует мировой опыт, ТНЦ могут использоваться в качестве квартирных, домовых, квартальных и районных источников теплоснабжения. Они не требуют больших сроков строительства и значительных территорий. ТНЦ могут размещаться вблизи потребителей, что позволяет минимизировать протяженность тепловых сетей, причем пониженные параметры теплоносителя позволяют заменить металлические трубопроводы пластмассовыми, не подверженными коррозии. В ТНЦ нет открытого пламени, они легко автоматизируются, а ремонт осуществляется путём замены отдельных агрегатов и узлов, т.е. в заводских условиях, что снижает количество ремонтно-эксплуатационного персонала, улучшает условия труда, обеспечивает надежность эффективность теплоснабжения.