Энергосбережение в промышленности

Котлицкая Ю.И.

Энергосбережение при применении современных волокнистых огнеупорных и теплоизоляцион-ных материалов и систем отопления в промышленности.

Введение.

Настоящая статья посвящена наиболее актуальным вопросам решения задач энергосбережения в наибо-лее энергоемких отраслях промышленности машиностроении, металлургии, химической промышленности, промышленности строительных материалов и энергетике. В статье отражен большой опыт применения совре-менных материалов и технологий энергосбережения накопленный рядом ведущих организаций Украины при решении практических задач энергосбережения в промышленности: Украинским научно-исследовательским институтом электротермии (УкрНИИЭлектротерм), Научно-исследовательским институтом стеклопластиков и волокна (НИИ СВ) и Институтом газа Академии наук Украины. Использование опыта этих организаций с при-менением современных материалов, производимых украинской промышленностью, позволит предприятиям Украины добиться значительной экономии энергоресурсов, снизить себестоимость и повысить качество выпус-каемой продукции.

Известно, что до 80 – 85% энергоносителей в промышленно развитых странах расходуется в промыш-ленности и энергетике при эксплуатации промышленных печей, термического и энергетического оборудования. Поэтому в настоящее время задача экономии энергоресурсов, особенно, в энергоемких отраслях промышленно-сти: металлургии, машиностроении, химической промышленности, на предприятиях, производящих строитель-ные материалы и керамику, в энергетике стоит необычайно остро и актуально.

Одним из комплексных направлений решения задачи энергосбережения, позволяющего существенно снизить энергопотребление при эксплуатации парка печей и термического оборудования, является применение волокнистых футеровочных и теплоизоляционных материалов и экономичных систем отопления. Волокнистые материалы - это материалы нового поколения, которые сочетают в себе высокотемпературные, огнеупорные и изоляционные свойства, низкую теплопроводность и малоинерционность, что позволяет широко применять их вместо традиционных материалов для футеровки практически всего парка термического оборудования. Осно-вой для производства волокнистых материалов являются муллитокремнеземистые и базальтовые волокна с применением высокотемпературных неорганических связующих.

Все волокнистые материалы обладают эластичностью, малой кажущейся плотностью и малой тепло-проводностью, трещиноустойчивостью, значительной прочностью на разрыв и на изгиб (особенно мягкие и по-лужесткие), термостойкостью. Основные характеристики волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных ма-териалов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Примечания:
*- материалы из супертонкого базальтового волокна с диаметром волокон 1 – 3 мкм.
**-материалы из тонкого базальтового волокна с диаметром волокон 6 – 9 мкм.

Изделия из волокнистых материалов позволяют создать новые, легкие конструкции футеровок стен и сводов, являясь при этом и огнеупором и теплоизоляцией. Низкая теплопроводность позволяет уменьшать га-бариты печи за счет толщины футеровки, что в сочетании с низкой плотностью делает возможным в несколько (до 10) раз снизить массу футеровки печи. Аккумулируемая во время разогрева теплота, таким образом, умень-шается также в несколько раз. Резко сокращается время разогрева печи, позволяя экономить не только энерго-ресурсы, но и уменьшая непроизводительное время работы печи и обслуживающего персонала. Поэтому во-локнистые материалы называют ещё малоинерционными. Особенно эффективно их применение в термических печах периодического действия, с постоянными колебаниями температуры печного пространства и в печах, ра-ботающих не в полную загрузку, в так называемом «рваном режиме».

Применение волокнистых материалов нового поколения на неорганических связующих обеспечивает значительное снижение трудоемкости футеровочных работ и высокую ремонтопригодность футеровки при ее механическом повреждении. Эти материалы легко обрабатываются и не критичны к циклам нагрев - охлажде-ние. Количество термосмен составляет 1000 - 2000 без видимых изменений качества материала.

Футеровка из волокнистых материалов часто выполняется многослойной. Например, внутренний слой представляет собой плиту из муллитокремнезёмистого волокна на высокотемпературном неорганическом свя-зующем, второй слой , один из самых дешевых материалов, перлитобентонитовый кирпич, а третий слой вы-полнен в виде плиты из базальтового волокна. Многослойность футеровки обусловлена тем, что в ней исполь-зуются лучшие качества всех материалов.

Первый рассчитан на более высокую температуру эксплуатации, у следующих слоев ниже теплопроводность в данном интервале температур и, кроме того, они дешевле. Таким образом, при применении многослойных футеровок из волокнистых материалов можно добиться оптимального соотношения цены и качества.

Следующим существенным достоинством волокнистых огнеупорных материалов на основе муллиток-ремнеземных волокон является высокая степень черноты, для диапазона температур 1000 – 1200°С он составля-ет 0.9 - 0.95. Для сравнения степень черноты шамота, при тех же температурах, составляет 0.6 – 0.72. Это каче-ство волокнистых материалов позволяет создавать на их основе печи с системами радиационного нагрева. Та-кие системы включают плоскопламенные и дискофакельные газовые горелки и футеровку из волокнистых ог-неупорных материалов, на раскаленной поверхности которой происходит полное и эффективное сгорание газа с радиационным излучением тепловой энергии во внутренний объем печи. Системы радиационного нагрева обеспечивают равномерный нагрев, значительное снижение образования окалины на термообрабатываемых изделиях из металла.

Комплектация системы газоснабжения печей регуляторами-пропорционализаторами соотношения газ – воздух позволяет поддерживать необходимое соотношение подаваемых в горелку компонентов горючей смеси, что обеспечивает качественное сжигание топлива на различных режимах работы печи. Это способствует повы-шению эффективности использования топлива и снижению концентрации в продуктах сгорания СО и NOx.

Применение рекуперативных, регенеративных устройств, систем внутренней рекуперации, утилизи-рующих тепло отходящих продуктов горения позволяет обеспечить экономию топлива на 15 – 20 %. К таким системам относится:

• компактные трубчатые и щелевые рекуператоры, отличающиеся высокой эффективностью;
  
• рекуперативные горелки;
  
• печи с внутренней рекуперацией, которая обеспечивается в проходных печах особой, П – образной, конструкцией печи либо противотоком при движении садка – продукты сгорания.

Применение рекуператоров и рекуперативных горелок для подогрева воздуха горения продуктами сго-рания позволяет уменьшить расход топлива на 15-20%: Внутренняя рекуперация в проходных печах, если это допускается технологией термообработки, даёт ещё большую экономию. В электрических проходных П-образных печах, при принятии соответствующих инженерных, конструкторских решений, за счет зон рекупера-ции отмечается снижение потребления электроэнергии до 40%.

Экономию топливо-энергетических ресурсов дает применение котлов –утилизаторов. Тепло нагретой в них воды отходящими продуктами горения используется на промышленных предприятиях, как для техниче-ских, так и бытовых целей.
Автоматизация процессов нагрева в печах различного назначения также приводит к экономии энергии топлива и электроэнергии. Оснащение тепловых агрегатов автоматизированными системами управления техно-логическими и теплотехническими процессами на базе управляющих контроллеров дает возможность наиболее экономично вести технологический процесс, оптимизировать работу печи, термического оборудования и полу-чить экономию энергоносителей до 5 –10 %, а также добиться высокого качества выпускаемой термообрабаты-ваемой продукции.

В некоторых случаях целесообразно применение принудительной конвекции с целью сокращения вре-мени термообработки (как нагрева, так и охлаждения), что дает не только существенную экономию энергоно-сителей, но и повышает производительность термического оборудования.

Степень эффективности методов по снижению энергопотребления в промышленных печах представлена в таблице 2.

Таким образом, комплексный подход к решению проблемы энергосбережения, включающий в себя применение современных, высокоэффективных и малоинерционных материалов, оснащение газогорелочного тракта печи системой рекуперации тепла и пропорционализаторами соотношения газ-воздух, высокую степень автоматизации контроля и управления технологическими процессами, применение надежных способов герме-тизации и некоторые другие инженерные решения позволяет добиться снижения эксплуатационных затрат на энергоресурсы до 40%, а в случае реконструкции старых печей этот показатель становится ещё выше.

К настоящему времени накоплен большой опыт применения волокнистых материалов при реконструк-ции и строительстве нескольких десятков видов промышленных печей на Украине, в России и Белоруссии. Для примера:

• колпаковые газовые печи для отжига стального листа в рулонах на металлургическом комбинате «Запорожсталь» - 4 года эксплуатации;
  
• электрические печи для обжига эмалированных изделий (посуда, ванны, газовые плиты и т.д.) – более 15 лет эксплуатации на Запорожском сталепрокатном заводе, 5-10лет эксплуатации на Новомосковском труб-ном заводе, Гомельском заводе «Сантекс», Луганском эмальзаводе, Керченском металлургическом комбинате, Грязинском культиваторном заводе, Херсонском комбайновом заводе, Тульском заводе «Штамп» и др.;
  
• роликовые электрические печи на Никопольском Южнотрубном заводе – 3 года эксплуатации;
  
• укрытие печи графитации на «УкрГрафит» - 1год эксплуатации;
  
• своды и дверцы печей для плавки алюминия, более 3 лет эксплуатации.

Практическая эксплуатация таких печей подтверждает высокую эффективность и надежность примене-ния волокнистых материалов и экономичных систем отопления.

Области применения волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов и технологий энерго-сбережения по отраслям промышленности:

Предприятия машиностроения.

Печи для термообработки металлоизделий – футеровка стен и свода, горелочные камни из волокнистых материалов, уплотнительные шнуры. Установка рекуператоров, применение системы внутренней рекуперации и рекуперативных горелок.
Печи с выкатным подом – рабочий слой стен и свода, горелочные камни, уплотнительная термоизоля-ция подвижных элементов пода. Установка рекуператоров, горелок с изменяемой геометрией факела, рекупера-тивных горелок.
Колпаковые, вертикальные, элеваторные, шахтные печи – футеровка стен, свода, горелочные камни, уп-лотнительные шнуры. Установка рекуператоров или рекуперативных горелок, применение принудительной конвекции, использование плоскопламенных горелок и систем радиационного нагрева.
Нагревательные печи – футеровка стен, свода, пода печи, наружная футеровка тигельных индукцион-ных печей, теплоизоляционный слой канальных индукционных печей, использование всех резервов внутренней рекуперации, в том числе и с принудительной конвекцией, устройство внутренних и наружных тепловых и пламенных завес, при возможности проектирование П-образной печи с зонами рекуперации и зонами нагрева.
Вращающиеся сушила для сыпучих материалов – теплоизоляция, уплотнение шнурами, организация противотока.

Черная и цветная металлургия.

Установка для обжига руды - изоляционные слои всех газоходов.
Установка восстановления железнорудных окатышей – футеровка волокнистыми и вспученными материалами.
Воздухонагреватели доменных печей – термоизоляция стен, купола, воздуховодов горячего дутья.
Мартеновские печи – конструкционные термоизолирубщие слои, термоизоляция свода печи, стен и сво-да регенераторов, термоизоляция крышек загрузки.
Котлы-утилизаторы печей и конвекторов – изоляционные слои и высокотемпературные фильтры.
Ковши разлива металла – изоляция крышек ковшей и крышек установок нагрева ковшей перед разливом металла.
Печи нагрева металла перед прокаткой – футеровка сводов, рабочих и изоляционных слоев стен, приме-нение рекуператоров или регенераторов, дискофакельных горелок в печах с горизонтально расположенной сад-кой.
Теплоизоляционные экраны над слитками металла перед прокаткой.
Печи для плавки цветных металлов – своды, дверцы, рекуператоры и т.д.
Газовые печи для термообработки металла – футеровка стен и свода, рекуператоры тепла отходящих га-зов, применение плоскопламенных горелок, для работы печи в защитной атмосфере - система радиационного нагрева.
Колпаковые печи для термообработки рулонов холоднокатанного листа – футеровка горелочного пояса, горелочные камни, применение плоскопламенных горелок, рекуператоров, принудительная циркуляция защит-ного газа в подмуфельном пространстве, применение водородной атмосферы.

Трубопрокатные заводы.

Ковши разлива металла – изоляция крышек ковшей и крышек установок нагрева ковшей перед разливом металла.
Теплоизоляционные вставки прибыльных насадок форм для отливок заготовок для цельнотянутых труб.
Кольцевые печи – футеровка стен и подвесного свода, применение плоскопламенных горелок, примене-ние рекуператоров.
Печи с шагающими балками – футеровка стен, подвесного свода, теплоизоляция подвижной и непод-вижной балок, применение дискофакельных горелок.
Секционные печи нагрева труб перед закалкой и термообработки труб – футеровка секций печи, уплот-нение стыков секций шнурами, применение плоскопламенных горелок.
Роликовые электрические и газовые печи для термообработки труб – футеровка стен, свода печи, тепло-изоляционный слой пода, теплоизоляция роликов (уменьшение уноса тепла с охлаждающей водой).

Предприятия химической и нефтехимической промышленности, нефтеперерабатывающие заводы (НПЗ).

Трубчатые печи различного назначения (реформинга, пиролиза и др.) – рабочий слой стен и свода, футеровка радиационных и конвективных камер, термоизоляция и уплотнение смотровых люков, горелочные камни.
Печи для сжигания сернистого колчедана – футеровка стен и свода.
Паровые котлы – материалы для футеровки.
Шатровые печи НПЗ – футеровка стен и свода, горелочные камни.

Предприятия по производству керамики и строительных материалов.

Высокотемпературные печи обжига керамики – футеровка стен, свода и в некоторых случаях пода печи, подогрев воздуха горения в рекуператоре, теплоизоляция рекуператора, организация движения садки и продук-тов сгорания по схеме «противоток», рециркуляция отходящих газов, устройство внутренних и наружных теп-ловых и пламенных завес, при возможности проектирование П-образной печи с зонами рекуперации и зонами нагрева.
Туннельные печи для обжига кирпича – футеровка стен и свода, плоскопламенные горелки, подогрев воздуха горения, организация противотока.
Туннельные печи для обжига керамических плиток – футеровка стен, плоских сводов, горелочных кам-ней, теплоизоляция смотровых и технологических люков, применение дискофакельных горелок, организация противотока.

Стекольная промышленность.

Стекловаренные печи – теплоизоляция сводов и стен печей и регенераторов.
Барабанные сушила для сушки песка и доломита – наружная теплоизоляция барабанов, организация противото-ка.
Леерные печи – футеровка стен и сводва.

Энергетика

Футеровка паровых и водогрейных котлов, паропроводов, тепловых трасс, термического оборудования: турбин и др.

Заключение

Применение современных, волокнистых материалов, высокоэффективных систем отопления, оснащение газогорелочного тракта печи системой рекуперации тепла и пропорционализаторами соотношения газ-воздух, систем автоматизации контроля и управления технологическими процессами и других инженерных решений позволяет добиться снижения эксплуатационных затрат на энергоресурсы при эксплуатации промышленных печей, термического оборудования на 40%, а в некоторых случаях до 60%.
Политика энергосбережения на предприятии любого профиля должна проводится целенаправленно и планомерно, и включать в себя целый комплекс мероприятий организационных, технических и технологических с применением современных материалов, конструкторских решений и технологий энергосбережения. Таким образом, можно добиться значительной экономии энергоресурсов, увеличить производительность термического оборудования и повысить качество выпускаемой продукции.

1. Оснос С.П., Гололобов О.И. Применение современных волокнистых теплоизоляцион-ных и огнеупорных материалов в тепловых агрегатах и сооружениях «Строительные материалы и изделия» №11 2000 г.
   
2. Оснос С.П., Гололобов О.И. Опыт применения современных волокнистых огнеупор-ных материалов и систем отопления «Строительные материалы и изделия» №4 2001 г.
   
3. Киселева Т.С. Основные направления энерго- и ресурсосбережения при эксплуатации термического оборудования и анализ работ по энергосбережению. Сб. статей Между-народной научно-практической конференции «Автоматизированный печной агрегат – основа энергосберегающих технологий ХХI века». МИС и С. Москва. 2000 г.