yandex.metrica
Теплотехника

Основные направления использования ВЭР

Утилизация теплоты готового продукта и шлаков

Потери физической теплоты с готовым продуктом в чёрной металлургии характеризуются следующими показателями (ГДж на 1 т продукции):

  • с агломератом — 0,63;
  • с коксом — 1,26;
  • с жидким чугуном — 1,05;
  • с жидкой сталью — 1,26;
  • с жидким шлаком — 0,84; с прокатом — 0,5.

Физическая теплота высокотемпературных продуктов в общем случае может быть использована по одному из следующих вариантов:

  • регенерация теплоты с ее возвратом в данный процесс;
  • технологическое использование теплоты в последующем процессе;
  • энергетическое использование теплоты.

Для металлургического производства характерно последующее технологическое использование теплоты. Так, жидкий чугун, полученный в доменной печи, поступает в мартеновские печи или в конвертеры. В этом случае физическая теплота жидкого чугуна входит в тепловой баланс последующего передела в качестве одной из приходных его статей. Использование теплоты жидкой стали возможно в печах прокатного производства (горячий посад) или в машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).

Такие виды сырья для доменного производства как агломерат и, особенно, раскаленный кокс, располагают значительной физической теплотой.

Агломерат в конце процесса спекания имеет температуру 600-900 °С. Физическая теплота агломерата может использоваться непосредственно в технологическом процессе и для энергетических нужд. Так, теплота горячего возврата используется при смешении агломерата с аглошихтой для её подогрева. Воздух, направляемый в зону спекания агломерата, предварительно используют для охлаждения готового агломерата, где он разогревается до 500-600 °С.

Кокс выдаётся из коксовой печи при температуре 1000-1100 °С. При его охлаждении на установках сухого тушения кокса (УСТК) до 70% теплоты раскаленного кокса используется в котлах-утилизаторах. Удельный выход пара составляет 0,4 т/т кокса.

Жидкая сталь из сталеплавильных агрегатов уносит значительное количество теплоты. Горячий посад слитков в нагревательные колодцы при температуре 800-900 °С снижает эти потери на 50%, что, соответственно, приводит к уменьшению расхода топлива на обогрев колодцев и повышению их производительности. Более полное использование физической теплоты жидкой стали происходит при ее разливке на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ). При этом исключается из баланса энергия, расходуемая обжимными станами, нагревательными колодцами и другим оборудованием, используемым при традиционной технологии получения проката.

Прокатные заготовки (блюмы, слябы), поступающие с обжимных станов, имеют температуру около 1000 °С. Охлаждение заготовок осуществляется в штабелях на воздухе до температуры 80 °С, при этом физическая теплота металла теряется безвозвратно. Существует способ охлаждения заготовок в камерах с отбором теплоты и ее использованием на производство пара, при этом сокращаются площади складов, ускоряется процесс охлаждения, снижается угар металла, облегчаются условия труда.

Шлаки являются побочным продуктом всех плавильных металлургических процессов. Обладая высокой температурой (1300-1600 °С), металлургические шлаки уносят 3-6% тепла, расходуемого на технологический процесс. В настоящее время значительная часть шлаков доменного, сталеплавильного и ферросплавного производств используется как сырье для переработки в строительные материалы. При утилизации теплоты шлаков имеются определенные трудности. Главная — их периодический выпуск из печей. Возможные схемы использования теплоты шлаков определяются способом их грануляции: мокрой (водой), сухой (воздухом) и контактной (на подвижных охлаждаемых поверхностях). Использовать теплоту шлаков можно для технологических и энергетических целей. В основном, в теплоутилизационных установках, предназначенных для использования теплоты шлаков, получают горячую воду на нужды теплоснабжения.

Утилизация теплоты уходящих газов металлургических печей

Теплота уходящих газов металлургических печей может быть использована по трём основным схемам: замкнутой или технологической; разомкнутой или энергетической; и комбинированной. В замкнутой схеме (рис. 13.1) за счёт теплоты уходящих газов в регенеративных (поочередное соприкосновение горячего и холодного теплоносителей с одними и теми же поверхностями аппарата) или рекуперативных (теплообмен между теплоносителями осуществляется непрерывно через разделяющую их стенку) теплообменниках нагревается дутьевой воздух, иногда сжигаемый газ или шихтовые материалы. При этом часть теплоты уходящих газов возвращается в агрегат что позволяет снизить расход топлива.

Замкнутая схема использования теплоты уходящих газов
Рис. 13.1. Замкнутая схема использования теплоты уходящих газов

В разомкнутых схемах теплота уходящих газов используется в котлах-утилизаторах, а пар, производимый ими, в турбогенераторах или на технологические нужды.

В комбинированных схемах, представляющих собой комбинацию замкнутой и разомкнутой схемы, используются как теплообменники, так и котлы-утилизаторы.

Утилизация теплоты охлаждения элементов печей

В высокотемпературных технологических установках условия службы огнеупорной кладки и металлических конструкций исключительно тяжелые. Поэтому применяют охлаждение элементов, обеспечивающее надежность печного агрегата и увеличивающее срок его службы. На охлаждение печей расходуется более половины всей воды, потребляемой металлургическим предприятием. Для охлаждения печей используют техническую воду, что приводит к отложению солей в деталях и часто к их быстрому прогару. Теплота охлаждения в тепловых балансах печей составляет 10-30% теплоты, внесенной в печь. При водяном охлаждении вся отобранная теплота теряется.

В 1946 году советскими инженерами С.М. Андоньевым и Г.Е. Крушелем была разработана система испарительного охлаждения (СИО), в которой вода превращается в пар и интенсивно отбирает теплоту от стенок охлаждаемых элементов (рис. 13.2). Естественная циркуляция воды в контуре охлаждения осуществляется благодаря разности плотностей воды и пароводяной смеси, образующейся в охлаждаемом элементе за счёт его обогрева. Так как на испарение 1 кг воды затрачивается примерно 2260 кДж теплоты (при атмосферном давлении), а на нагрев ее до температуры кипения примерно 250-290 кДж, то каждый килограмм воды при испарительном охлаждении отбирает около 2500 кДж теплоты. При водяном охлаждении 1 кг воды может отобрать не больше 40-45 кДж, так как нагрев технической воды, во избежание выпадения солей и образования накипи, не должен превышать 60-65 °С.

Система испарительного охлаждения с принудительной циркуляцией
Рис. 13.2. Система испарительного охлаждения с принудительной циркуляцией

Таким образом, при испарительном охлаждении расход воды по сравнению с водяным сокращается в десятки раз. При этом замена технической воды химически очищенной приводит к увеличению срока службы охлаждаемых элементов в 5-10 раз. При испарительном охлаждении снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких и дорогостоящих водоводов, насосных станций, градирен, бассейнов, прудов.

Испарительное охлаждение применяют на доменных, мартеновских, нагревательных печах. Циркуляция воды в системе обычно естественная, но бывает и принудительная с использованием циркуляционного насоса, когда естественная циркуляция недостаточно эффективна.

Котлы-утилизаторы

Котлы-утилизаторы (бестопочные котлы) предназначены для получения пара за счёт использования теплоты уходящих газов технологических агрегатов. В чёрной металлургии температура уходящих газов в разных печах составляет 500-1800 °С. Поэтому различают котлы-утилизаторы радиационного, радиационно-конвективного и конвективного типов. Котлы первых двух типов применяют в конвертерном производстве, где температура газов выше 1000 °С.

Наибольшее распространение получили котлы-утилизаторы (КУ) конвективного типа. Их устанавливают за мартеновскими, нагревательными, обжиговыми и другими печами. Эти котлы предназначены для использования газов с температурой 600-850 °С. По компоновке поверхностей нагрева и газового тракта различают конвективные газотрубные и водотрубные КУ.

Газотрубные котлы-утилизаторы

Основная особенность газотрубных КУ заключается в движении горячих газов внутри труб, образующих поверхности нагрева котла, вода и пароводяная смесь находятся снаружи труб с газом. Газотрубные КУ работают с естественной циркуляцией, имеют горизонтальное расположение испарительных поверхностей, размещённых внутри барабана (рис. 13.3). В барабане размещено также сепарационное устройство для разделения воды и насыщенного пара. К барабану котла крепят входную и выходную камеры.

Принципиальная схема газотрубного котла-утилизатора
Рис. 13.3. Принципиальная схема газотрубного
котла-утилизатора

По такой схеме выполняются котлы КУ-16 и КУ-40, рассчитанные на объём поступающих газов (с учётом подсосов воздуха перед ними) 16000 и 40000 м3/ч. Они вырабатывают перегретый пар давлением 0,9-1,4 МПа с температурой 250 °С в количестве 1,6-2,8 и 7,8 т/ч соответственно. Котлы оборудованы устройствами для очистки поверхностей нагрева и снабжены аппаратурой КИП и А.

Водотрубные котлы-утилизаторы

Водотрубные котлы-утилизаторы отличаются от газотрубных тем, что по газоходам котла движутся уходящие газы печей, а испарительные трубные поверхности, выполненные из змеевиковых пакетов, размещаются в газоходах на пути газов. Пароводяная смесь циркулирует внутри труб. Котлы имеют башенную и П-образную (рис. 13.4) компоновку. Для установки за технологическими агрегатами котлы выбирают в зависимости от объёма уходящих газов, подлежащих утилизации (КУ-50, КУ-60, КУ-80, КУ-125, КУ-150). Цифры указывают на объем уходящих газов, тыс. м3/ч. Температура газов на входе 600-850 °С. Компоновка котлов горизонтальная (КУ-50), башенная (КУ-100Б), П-образная (остальные). Котлы однобарабанные, по ходу газов последовательно расположены одна секция испарительной поверхности, пароперегреватель, еще несколько секций испарительных поверхностей, водяной экономайзер. Все поверхности из труб Ø 32×3 мм. Применение труб малого диаметра вызвано необходимостью при конвективной теплоотдаче разместить большую поверхность нагрева в относительно небольшие габариты котла.

Схема водотрубного котла-утилизатора
Рис. 13.4. Схема водотрубного котла-утилизатора
П-образной компоновки
ИП – испарительные поверхности

Циркуляция в КУ многократно принудительная, циркуляционный насос устанавливается на опускной трубе.

Тяга обеспечивается дымососом, рассчитанным на сопротивление системы «печь-котел-газоочистка». Газы охлаждаются в КУ до 200-230˚С, что достаточно для нормальной работы дымососа.

В конвективных КУ вырабатывается до 50 т пара в час (КУ-150), давление до 4,5 Мпа, температура 340-400 °С.

Пар используется для привода паровых турбин коксовых эксгаустеров (дутьевых средств, создающих разрежение), турбокомпрессоров, турбовоздуходувок, турбонасосов, турбогенераторов.