Учебное пособие по дисциплине «Энергосбережение в промышленных печах» для бакалавров направления 5310100 «Энергетика

Министерство высшего и среднего специального образования Республики Узбекистан


Ташкентский государственный технический
университет имени А.Р. Беруни


УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ

по дисциплине

«Энергосбережение в промышленных печах»


для бакалавров направления
5310100 – «Энергетика (Энергосбережение в теплоэнергетике)»

Ташкент-2014


Содержание


ВВЕДЕНИЕ …………………………………………………..3
Глава первая. Общие сведения о промышленных печах.
1-1. Назначение печей. Общая схема устройства печи. Классификация промышленных печей…………………………………………………. 9
1-2. Основные условия развития огнетехнического процесса в промышленных печах ……………………………………………………………..18
1-3. Принципиальные схемы промышленных печей ………………23
Туннельные печи , ……………………24
Шахтные печи ……………………27
Печи для обжига в кипящем слое …………………..30
Вращающиеся печи ……………………..31
Печи для нагрева металла перед прокаткой и ковкой…………..32
Методические нагревательные печи ………………….32
Камерные нагревательные и плавильные печи………………..35
Сталеплавильные мартеновские печи …………………..36
Отражательные плавильные печи ………………….41
Циклонные обжиговые и плавильные печи …………………44
Строительство печей ………………..46
1-4. Энерготехнологическое комбинирование ………………49
1-5. Варианты использования топлива в промышленных печах….50
1-6. Роль электрического нагрева ………………….56
1-7. Способы электрического нагрева. Техника достижения высоких температур в электротермических установках…………………………..57
Глава вторая. Движение газов и материалов в печах
2-1. Виды движения газов ………………..68
2-2. Движение газов в слое зернистого и кускового материала или топлива………………………………………………………………………..70
2-3. Особенности движения газов в печах ………………….73
2-4. Струйные аппараты …………………….75
2-5. Виды движения материалов ……………………..76
2-6. Особенности сжигания топлива в промышленных печах. Общие сведения………………………………………………………………….76
2-7. Теплообмен в печах. Организация теплопередачи в печах…….77
Литература…………………………………………………………………79
ВВЕДЕНИЕ
Высокотемпературные процессы лежат в основе важнейших произ­водств: металла, деталей машин, химических продуктов, строительных и других материалов. Эти процессы осуществляются в промышленных печах, в которых материалам или изделиям придаются свойства, необ­ходимые для конечного продукта или требующиеся для дальнейшей об­работки.
Эти процессы протекают при относительно высоких температурах: плавка стали в мартеновских печах при 1800 - 2000 °С, нагрев сталь­ных заготовок в кузнечных печах при 1300 - 1500 °С, обжиг огнеупоров в печах при 1500 - 1800 °С. Еще более высокие температуры создаются в электрических печах.
Большое значение промышленные печи имеют при производстве чу­гуна и стали на заводах черной металлургии с полным производствен­ным циклом. В доменных печах этих заводов производят выплавку чугуна из железных руд. Доменный газ после очистки от пыли исполь­зуется в качестве топлива в печах и в топках котлов ТЭЦ. Кокс, необ­ходимый для доменных печей, производится коксохимическими завода­ми или коксовыми цехами металлургических заводов, где в коксовых печах, (коксовых батареях) перерабатываются коксующиеся каменные угли. При этом получаются в больших количествах коксовый газ и цен­ные побочные химические продукты: каменноугольная смола, бензол аммиак и сульфат аммония натрия.
Мартеновские печи являются сталеплавильными агрегатами: в них из шихты, состоящей в основном из чугуна, стального лома (скрапа), руды и флюсов, выплавляется сталь. Чугун доставляется из доменного цеха в жидком виде или при работе мартеновских печей на холодной завалке употребляется в чушках. Более производительной является выплавка стали в конвертерах, в которых жидкий чугун продувается технически чистым кислородом, при этом углерод в значительном коли­честве переходит в газ, а марганец, кремний, фосфор и сера — в шлаки. При окислении примесей выделяется так много тепла, что его достаточ­но для разогрева ванны и покрытия потерь тепла без затраты добавоч­ного топлива. Отходящие газы конвертеров горючи (90% СО и 10% СО₂), имеют очень высокую температуру (1500 - 1800 °С) и сильно за­грязнены технологическим уносом до 125—220 г/м³. Работа конвертеров невозможна без улавливания газов, их охлаждения в котлах-охладите­лях и очистки.
За мартеновскими печами также устанавливаются котлы-утилизаторы, т. к. температура газов за печами очень высока (500—700 °С). Работа печей невозможна без охлаждения металлических деталей и кладки посредством испарительного охлаждения с одновременной вы­работкой пара, который затем следует использовать для энергетических и отопительных целей. Стальные тяжеловесные слитки, отлитые в сталеплавильных цехах в изложницы, поступают в отделение для сня­тия изложниц, а затем перед прокаткой в обжимных станах (блюмин­гах и слябингах) нагреваются в печах, называемых нагревательными колодцами. После обжатия в блюминге стальные слитки (блюмсы) идут на дальнейшую обработку в заготовочные и сортовые прокатные станы, где путем прокатки получают фасонный прокат—рельсы, дву­тавровые и швеллерные балки и т. п. Перед каждым станом стальные заготовки подвергаются нагреву в нагревательных печах. Стальные листы, стальное литье, трубы и другие стальные изделия подвергаются обработке в термических печах для отжига, нормализации и других операций.
Сталеплавильные мартеновские печи лучше всего работают при отоплении их высококалорийным топливом — мазутом, природным или коксовым газом, однако часто применяется и смешанный газ (коксо­вый газ в смеси с доменным). Нагревательные печи обычно работают на смешанном газе. В связи с этим металлургические заводы имеют сложное газовое хозяйство, органически связанное с печами.
В цветной металлургии в плавильных отражательных печах вы­плавляется из медных концентратов полупродукт меди - штейн. Газы уходят из печи с температурой 1280—1360 °С и сильно загрязнены технологическим уносом — до 200 г/м³. Эти газы следует использовать для выработки пара в котлах-утилизаторах и подогрева воздуха, В шахтных (ватержакетных) печах выплавляются медные и никелевые полупродукты. Эти печи нуждаются в подаче горячего воздуха, и их правильная работа невозможна без испарительного охлаждения рубаш­ки шахты с выработкой пара.
Велико значение промышленных печей на заводах тяжелого, тран­спортного и энергетического машиностроения. В чугунолитейных ва­гранках, работающих на коксе или литейном антраците, расплавляет­ся чугун, причем химический состав чугуна может быть изменен. Ва­гранки являются основным видом чугуноплавильных печей, в них пере­плавляется около 80% всего литейного чугуна. Нагревательные печи употребляются для нагрева стальных слитков перед прессованием. В термических печах осуществляется всякого рода термическая обра­ботка стальных изделий (отжиг, нормализация, закалка и отпуск, цементация и т. п.). Кроме перечисленных, на машиностроительных заводах можно встретить и другие типы печей.
На заводах промышленности строительных материалов печи также играют важнейшую роль в производстве. Во вращающихся печах про­изводят обжиг цементного' клинкера, из которого получается портланд­цемент. В стекловаренных печах из шихты получают стекломассу, ко­торая идет на выработку листового или другого стекла.
В шахтных печах обжигают известняк из известь; в туннельных и других печах — строительный кирпич, керамические блоки, черепицу, канализационные трубы и другие строительные материалы.
На нефтеперерабатывающих заводах и заводах органического син­теза главными технологическими агрегатами являются трубчатые печи для крекинга, пиролиза и других процессов. Сущность крекинга состоит в разложении высокомолекулярных углеводородов на более простые; этот процесс является основой переработки нефтяного сырья в жидкие моторные топлива с получением одновременно нефтяного крекинг-газа. На химических заводах печи играют серьезную роль. Например, при вы­работке из серного колчедана серной кислоты, имеющей большое зна­чение в народном хозяйстве страны и являющейся одним из основных продуктов химической промышленности, применяются печи с обжигом серного колчедана в плотном или в «кипящем» слое, а в циклонных печах — во взвешенном состоянии. В печах с «кипящим» слоем катализа­торов осуществляются: процессы окисления (конверсия метана, получе­ние водорода и окиси углерода, окисление аммиака и другие) и про­цессы гидрирования и дегидрирования (синтез аммиака и др.). Очень большое значение имеют печи в промышленности огнеупорных и абра­зивных материалов, а также в пищевой промышленности.
Выполняя определенные технологические функции, печи представ­ляют собой сложные теплоэнергетические агрегаты, потребляющие большое количество топлива (главным образом, высокосортного). По­требление топлива печами занимает одно из первых мест в общем топ­ливном балансе страны, и правильное использование топлива в печах представляет важнейшую народнохозяйственную задачу. Очень многие заводы оборудованы современными печами, хоро­шо выполняющими свое назначение и имеющими высокие показатели по использованию топлива. Наряду с этим имеется очень много печей, имеющих низкие коэффициенты полезного действия (к. п. д.). До по­следнего времени, например, мартеновские печи имели, а многие из них и сейчас имеют к. п. д. порядка 20—25%- Вместе с тем благодаря ин­тенсификации хода плавки, лучшей организации производства и исполь­зованию потерь тепла некоторые заводы повысили к. п. д. мартеновских печей до 40—50%, т. е. увеличили использование топлива более чем в 2 раза. При современном уровне знаний есть возможность строить печи с высоким к. п. д. Осуществляя регенерацию тепла отходящих газов с подогревом воздуха до высоких температур, используя вторич­ные энергетические ресурсы, а также применяя энерготехнологическое комбинирование, можно улучшить использование топлива—уменьшить удельные расходы топлива.
Промышленные печи работают чаще всего на природном газе, искусственном газообразном топливе и на мазуте, так как при этих топливах обеспечивается их работа с наилучшими показателями (вы­сокая производительность, высокое качество и невысокая себестои­мость продукции, хорошие условия труда) при легком осуществлении автоматического регулирования тепловых процессов. Доменные печи, чугунолитейные вагранки, ватержакетные медеплавильные и другие шахтные печи работают на каменноугольном коксе. Обжиг строитель­ных материалов производится в печах и на твердом топливе — камен­ном угле, антраците, низкосортных бурых углях, дровах и торфе. Об­жиг цементного клинкера (из которого получается путем размола це­мент) производится иногда на пылевидном топливе.
Наша страна располагает огромными природными запасами угля, нефти и газа. Роль каждого из этих видов топлива в общем топливном балансе различна. Направление в разви­тии топливного хозяйства определяется не только требованиями, предъ­являемыми к качеству топлива, но и затратами труда на его добычу, переработку и транспортирование, а также стоимостью топлива.