ИСТОЧНИКИ ОБРАЗОВАНИЯ, ВИДЫ И ВОЗМОЖНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Основными источниками выхода ВЭР в различных отраслях промышленности являются технологические агрегаты. Непосредственное потребление топлива при современных конструкциях технологических агрегатов и схемах производства приводит к большим потерям под­водимой извне энергии ископаемого топлива. Применяе­мые в настоящее время технологии в ряде случаев несовершенны с энергетической точки зрения, так как допускают работу агрегатов с низкими коэффициентами полезного использования энергии. Кроме того, ряд тех­нологических процессов за счет плохой организации «внутреннего» использования энергии, т. е. возврата по­терь энергии в технологический цикл, отличается повы­шенными расходами топлива на производство промыш­ленной продукции.

Например, при производстве чугуна только 30–38 % поданной в доменную печь теплоты используется полезно (диссоциация окислов, восстановление железа и др.), а 55–60 % теплоты приходится на вторичные энергоресур­сы. Аналогично при мартеновском способе производства стали ВЭР составляют более 50 % расходной части теп­лового баланса мартеновской печи.

Такое положение вещей характерно для многих технических процессов промышленности. При этом при­меняемые в промышленности технологические схемы производства продукции определяют как источники вы­хода ВЭР, так и их виды и параметры, исходя из осо­бенностей работы технологических агрегатов и видов применяемых энергоносителей.

Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии.В черной металлургии при традиционной схе­ме производства металла «чугун — сталь — прокат» к агрегатам-источникам ВЭР могут быть отнесены: доменные печи, агломерационные ма­шины, ферросплавные печи, мартеновские печи, воздухонагре­ватели доменного дутья, кисло­родные конвертеры, нагревательные устройства, коксовые батареи, обжиговые печи. Многие технологические агрегаты являются источниками одновременного выхода нескольких ви­де ВЭР, которые уже используются и могут быть эффективно использованы на металлургических заводах. К горючим ВЭР в черной металлургии относится доменный и конвертерный газ, газ ферросплавных печей, тепловым – физическое тепло уходящих дымовых газов, теплота охлаждения агрегатов, теплота продукции и др. К третьей группе ВЭР относится избыточное давление доменного газа.

При производстве чугуна ВЭР образуются в виде химической энергии и физического тепла доменного га­за, теплоты охлаждения доменной печи, теплоты чугуна и шлака. Кроме того, к ВЭР доменного производства от­носятся также энергия избыточного давления доменного газа и физическое тепло уходящих газов воздухонагре­вателей доменного дутья (кауперов), которые не входят в тепловой баланс доменной печи.

В общем выходе ВЭР доменного производства наибольшую долю составляет доменный газ. Доменный газ после очистки имеет теплоту сгорания 3140–4600 кДж/м³ и используется в качестве котельно-печного топлива. Однако не весь доменный газ можно полезно использовать, так как во время загрузки печи часть его теряется. Обычно неизбежные потери домен­ного газа составляют около 5 %. Выходящий из печей доменный газ обладает избыточ­ным давлением. Все крупные домен­ные печи работают с давлением под колошником 0,25–0,27 МПа.

Все доменные печи на металлургических заводах обо­рудованы системой искусственного охлаждения. Наиболее рас­пространенным видом охлаждения являлось охлаждение оборотной или проточной водой, с которой уносится до 0,42–0,50 ГДж/т чугуна подведенной в печь теплоты. Потери теплоты с охлаждением доменной печи объемом 2000 м³ составляют около 63 ГДж/ч.

Температура уходящих газов воздухонагревателей доменных печей изменяется за цикл от 150 до 600 °С. Эта тепловая энергия может быть использовано для выработки пара, горячей воды или для подогрева очищенного доменного газа.

Выход физического тепла жидкого чугуна и шлака определяется выходом соответствующего продукта и его энтальпией. Физическое тепло жидкого чугуна используется непосредственно при выплавке мартеновской или конвертерной стали. В связи с отсутствием технических решений физи­ческое тепло шлака на металлурги­ческих заводах не утилизируется.

Ферросплавы на металлургических заводах в настоя­щее время выплавляются в основном в электропечах. При выплавке доменных ферросплавов обра­зуются такие же ВЭР, как и при выплавке чугуна. К ВЭР открытых электропечей относится только физическое тепло ферросплава и теплота шлака, так как газы, обра­зующиеся в процессе плавки, выбрасываются в атмо­сферу. К ВЭР закрытых электропечей относятся физическое тепло и химическая энергия ферросплавного газа, теплота испарительного охлаждения печи, а также теплота ферро­сплава и теплота шлака. Удельный выход отдельных видов ВЭР зависят от типа выплавляемого ферро­сплава. Наиболее значительные потери теплоты при вы­плавке ферросплавов приходятся на химическую энер­гию газов.

В связи с боль­шой запыленностью ферросплавных газов, образующихся при производстве ферросплавов в закрытых печах, эта тепловая энергия не может быть использовано, так как она полностью теряется при мокрой очистке газа.

В сталеплавильном производстве на выплавку 1 т мартеновской стали расходуется около 4,2 ГДж теплоты топлива. Значительное количество теплоты выходит из пе­чи в виде физического тепла уходящих газов, физического тепла стали, теплоты охлаждения элементов печи и теплоты шлака.

Уходящие газы мартеновских печей на выходе из ре­генераторов имеют температуру от 500 до 700°С. Исполь­зование уходящих газов с такой температурой позволяет вырабатывать в котлах-утилизаторах пар довольно вы­соких параметров. Уходящие газы мартеновских печей, особенно тех, в которых применяется продувка ванны кислородом, сильно запылены, что затрудняет работу котлов-утилизаторов.

Все мартеновские печи имеют системы испарительного искусственного охлаждения. Системы испарительного охлаждения мартеновских печей позво­ляют вырабатывать пар давлением до 1,8 МПа, который используется на технологические нужды.

При кислородно-конвертерном производстве стали, несмотря на отсутствие расхода топлива, также образу­ются ВЭР в виде химической энергии и физического тепла конвертерных газов, теплоты стали и теплоты шлака. На выходе из конвекторов газы имеют температуру 1600–1800°С. В охладителе конверторных газов в зависимости от схемы отвода утилизируется их физическое или химически связанное тепло или только физическое тепло при отводе газов без доступа воздуха.

К ВЭР прокатного производства относятся физиче­ское тепло уходящих газов нагревательных устройств и теплота, теряемая с охлаждающей средой. Температура уходящих газов нагревательных устройств колеблется в очень широких пределах от 220–250 до 700–750°С, а в печах, не имеющих рекупе­раторов, достигает 900–1000 °С, что позволяет в утили­зационных установках вырабатывать пар высоких (энергетических) параметров. Температура уходящих газов на выходе из котлов-утилизаторов – около 200–230 °С. В прокатном, как и в мартеновском производстве, к ВЭР относится физическое тепло газов после рекупе­ратора (регенератора, если таковой имеется в комплекте нагревательной печи), используемое для выработки пара или горячей воды.

В коксохимическом производстве на выжиг 1 т кокса затрачивается около 100 кг условного топлива. Почти вся теплота топлива, за исключением потерь во внешнюю среду (6–8 %), покидает коксовую печь в виде ВЭР, к которым относится физическое тепло кокса, коксового газа и уходящих газов. Теплота раскаленного кокса, имеющего температуру 1000–1100°С, используется в установках сухого тушения кокса, что обеспечивает прежде всего значи­тельное повышение качества кокса. Кроме того, за счет использования физического тепла раскаленного кокса в установки вырабатывается пар энергетических параметров давлением 2,0–4,5 МПа. Коксовый газ в смеси с водяным паром и химиче­скими продуктами коксования на выходе из коксовых печей имеет среднюю температуру примерно 700 °С. Почти вся это теплота теряется в газовых холодильниках.

Известно несколько экономически целесообразных способов утилизации физического тепла коксового газа: оно может использоваться для нагрева воды в рубашках стояков или для нагрева поглотительного раствора цеха сероочистки.

Уходящие газы коксовых печей имеют довольно вы­сокую температуру. Их теплота на всех современных печах используется в рекуператорах для подогрева воздуха и отопительного газа.

К вторичным энергоресурсам, пригодным к утилиза­ции, в огнеупорном производстве можно отнести только физическое тепло уходящих газов обжиговых печей, температура которых на выходе из печей при производ­стве огнеупорных материалов составляет 400–700 °С. Теплота газов может использоваться для подогрева и сушки шихтовых материалов или в котлах-утилизаторах для выработки пара.

Вторичные энергетические ресурсы цветной металлургии.В цветной металлургии преобладают высокотемпературные огневые процессы плавки, обжига, спекания и кальцинирования. При производстве меди, свинца, цинка, олова, алюминия, а также вторичных цветных металлов образуется значительное количество ВЭР. В цветной металлургии основными источ­никами ВЭР являются металлургические печи, в кото­рых значительное количество теплоты теряется с уходя­щими газами, шлаками и охлаждающей водой. Эти по­тери весьма велики и в тепловом балансе в зависимости от типа и назначения печей составляют: с уходящими газами 10–60 %, с охлаждающей водой 10–30, со шла­ками 15–70 %.

К агрегатам-источникам ВЭР в цветной металлур­гии относятся:

- печи кипящего слоя, в которых обжигают медные, никелевые и цинковые концентраты при температуре 750–970°С;

- отражательные печи для плавки медных, никелевых и оловянных концентратов и руды;

- электрические печи, применяемые при переработке сульфидных, медно-никелевых руд и концентратов в сы­ром или обожженном виде; при восстановительной плавке оловянных концентратов на черное олово, обож­женных свинцовых концентратов на черновой свинец, обожженных цинковых концентратов с возгонкой и по­следующей конденсацией металлического цинка;

- шахтные печи для плавки медных, никелевых, цин­ковых, свинцовых и других руд;

- конвертеры для выплавки меди, никеля и свинца;

- шлаковозгоночные печи, применяемые для переработ­ки шлаков, содержащих 2–3 % свинца, 10–15 % цинка, 2 % олова.

В алюминиевой промышленности ВЭР образуются при производстве глинозема и электродов. При этом агрегатами-источниками ВЭР являются трубчатые вра­щающиеся печи для кальцинации гидроокиси алюми­ния, а также печи для прокалки электродного кокса.

Основными ВЭР в цветной металлургии являются физическое тепло продукции, побочных и промежуточ­ных продуктов и отходов; физическое тепло уходящих газов технологических агрегатов и физическое тепло охлаждения печей (теплота кессонирования).

Уходящие газы печей цветной металлургии имеют высокую температуру (600–1300 °С) и запыленность, содержат большое количество возгонов цветных металлов, обладают значительной коррозионной способностью и поступают в больших количествах (до 40 Гкал/ч), что определяет как важность, так и сложность их утилизации. Основным направлением использования физического тепла уходящих газов в цветной металлургии является его комплексное использование в специальных котлах-утилизаторах для получения пара и нагрева воздуха, идущего на горение в печь. Большие возможности для выработки тепловой энергии в цвет­ной металлургии заложены в использовании теплоты шла­ков, которые выходят с температурой 1200–1300 °С.

ВЭР химической, нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности.Химическая промышленность включает ряд специализированных подотраслей производства раз­личных видов химической продукции, наиболее энерго­емкими из которых являются: азотная, хлорная, содовая отрасли; основная химическая промышленность; промышленность химических волокон, лаков и красок, а также промышленность пластических масс. Почти во всех отраслях химической промышленности образуется значительное количество горючих и тепловых ВЭР, ис­пользование которых играет существенную роль в по­крытии потребности в тепловой энергии отдельных про­цессов химического производства.

В азотной промышленности к основным видам теп­ловых ВЭР относятся: физическое тепло отходящих газов контактных ап­паратов (в производстве слабой азотной кислоты), физическое тепло азотно-водородной смеси колонн синтеза (в аммиачном производстве), физическое тепло контактного газа, теплота конденсатов, физическое тепло паров вторич­ного вскипания (в процессе моноэтаноламиновой очист­ки), теплота реакций синтеза углеводородов и др.

В технологических процессах основной химии (производство серной кислоты) образуются только тепловые ВЭР, к которым отно­сятся:

- физическое тепло уходящих газов серных печей;

- физическое тепло сернистых газов и продукционных газов обжиговых печей;

- теплота конденсата подогревателей фосфорной кисло­ты, физическое тепло от охлаждения кислоты и др.

Вторичные энергоресурсы (физическое тепло уходящих газов) образуются при производстве обесфторенных фосфатов в процессе спекания апатитового концентрата во вращающихся печах и методом циклонной плавки. Тепловые ВЭР образуются также при производстве монохромата натрия, в процессе прокаливания исходных продуктов. Уходящие газы из прокалочных печей имеют температуру 650–700 °С. В содовой промышленности образуются только теп­ловые ВЭР. В хлорной промышленности образуются горючие и тепловые ВЭР. Вторичные энергоресурсы имеются также и в других подотраслях химической промышленности.

В нефтеперерабатывающей промышленности основными ВЭР является теплота уходящих дымовых газов трубчатых печей, теплота нагретых нефте­продуктов и теплота охлаждающей воды.

На различных установках первичной и деструктивной пере­работки нефти температура уходящих газов на выходе из печи составляет 320–600 °С. Теплота газов используется в рекуператорах для подо­грева воздуха, подаваемого в печь на сжигание топлива, или в котлах-утилизаторах для выработки пара техно­логических параметров. Теплота нагретых нефтепродуктов используется, как правило, регенеративно для подогрева холодных сырье­вых материалов.

К ВЭР в нефтепере­рабатывающей промышленности относится также теплота уходящих газов и избыточное тепло регенерации ката­лизатора в каталитических процессах, теплота уходящих газов от сжигания сероводорода в процессах очистки нефтепродуктов от серы, а также теплота уходящих газов печей для сжигания вредной органики.

Следует отметить, что в нефтеперерабатывающей промышленности образуются также ВЭР избыточного давления.

В нефтехимической промышленности ВЭР образуются в основном в производствах синтетиче­ских каучуков, синтетического спирта и технического углерода (сажи).

Горючие и тепловые ВЭР образуются в основном в процессах синтеза исходных мономеров для каучуков. При производстве синтетических каучуков источниками ВЭР являются: технологические печи, реакторы, регенераторы катализаторов в производствах диви­нила из бутана, изопрена из изопентана, а также изо­прена из изобутана.

На заводах синтетического этилового спирта ВЭР образуются в процессах производства этилена и при прямой гидратации этилена в спирт.

Производство этилена состоит из двух основных про­цессов: пиролиза углеводородного сырья в печах; разделения пирогаза, выделения и очистки этилена и побочных продуктов.

Вторичными энергоресурсами процесса пиролиза является физическое тепло дымовых газов печей и физическое тепло пиро­газа. В цехах разделения пирогаза выделяются неабсорбировавшиеся легкие углеводороды (метано-водородная фракция), которые являются горючим видом ВЭР. Вторичными энергоресурсами при прямой гидратации этилена являются физическое тепло продуктового потока после реакторов, физическое тепло водно-спиртового конденсата и физическое тепло фузельной воды.

ВЭР целлюлозно-бумажной промышленности.Несмотря на то, что в технологических процессах целлюлозно-бумажной промышленности используется в основном тепловая энергия, в отрасли образуются только горючие ВЭР, которые представляют собой горючие отходы перерабатываемого органического сырья (древесины).

В процессах производства бумаги, картона и целлю­лозы образуется также много тепловых отходов в виде теплоты парогазовой смеси сдувок и выдувок, теплоты кон­денсата варочного и выпарного цехов, теплоты паровоз­душной смеси сушильных, бумаго- и картоноделательных машин, теплоты паровоздушной смеси дефибреров и др. Все эти тепловые отходы направляются в тепло-регенерационные установки и теплоулавливающую ап­паратуру для подогрева технологической воды и воз­духа, используемых в тех же технологических процессах и агрегатах, в результате чего снижается потребность в тепловой энергии от энергетических установок.

На предприятиях отрасли имеется также значитель­ное количество низкопотенциальных тепловых отходов в виде воды и паровоздушной смеси с температурой 35–40 °С. Горючие ВЭР образуются в виде коры и древесных отходов, сульфитных и сульфатных щелоков.

ВЭР газовой промышленности.В газовой промышленности образуются тепловые ВЭР и в виде физического тепла выхлопных газов газовых турбин и газомоторных двигателей на компрессорных станциях магистральных газопроводов и физического тепла уходящих газов подогревательных печей и печей сжигания сероводорода в цехах очистки газа и получения серы газоперерабатывающих заводов.

Все современные газовые турбины, применяемые на компрессорных станциях, имеют к. п. д., не превышаю­щий 26–28 %, более 70 % теплоты топлива теряется с вы­хлопными газами ГТУ. В зависимости от типа турбин выхлопные га­зы имеют температуру от 270 до 400 °С. В трубчатых печах газоперерабатывающих заводов, работающих с к. п. д. около 60%, с уходящими дымовыми газами, имеющими температуру 450–500 °С, теряется большое количество теплоты.

При переработке природного газа, загрязненного соединениями серы, производится сероочистка газа. Теплота от сжигания сероводорода относится к ВЭР и используется обычно в котлах-утилизаторах для выработки водяного пара.

ВЭР машиностроения и промышленности строительных материалов.На предприятиях тяжелого машино­строения ВЭР сравнительно высоких параметров об­разуются в основном в мартеновских, нагревательных и термических печах в виде теплоты уходящих дымовых газов и теплоты охлаждения печей. Низкопотенциальные ВЭР образуются в виде теплоты отработавшего пара давлением 0,1–0,12 МПа от прессов и молотов, являющихся основным потребителем технологического пара средних парамет­ров.

Теплота отработанного пара используется в основном для коммунально-бытовых и отопительно-вентиляционных целей за счет нагрева воды в специальных утили­зационных бойлерах.

В промышленности строительных ма­териалов крупные источники ВЭР – это вращающиеся цементные печи и стекловаренные печи. Утилизируется теплота излучения корпусов вращающихся печей, теплота охлаждения и теплота уходящих дымовых газов стекловаренных печей. Кроме того, источниками ВЭР в отрасли являются технологические печи и сушила, пропарочные камеры и другие агрегаты в производстве стеновых материалов, керамических изделий, теплоизоляционных и сантехнических материалов.