Энергосбережение при применении современных волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов и систем отопления в промышленности

Котлицкая Ю.И.

 

Энергосбережение при применении современных волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов и систем отопления в промышленности.

 

Введение.

 

Настоящая статья посвящена наиболее актуальным вопросам решения задач энергосбережения в наиболее энергоемких отраслях промышленности машиностроении, металлургии, химической промышленности, промышленности строительных материалов и энергетике. В статье отражен большой опыт применения современных материалов и технологий энергосбережения накопленный Украинским научно-исследовательским институтом электротермии (УкрНИИЭлектротерм).

Известно, что до 80 – 85% энергоносителей в промышленно развитых странах расходуется в промышленности и энергетике при эксплуатации промышленных печей, термического и энергетического оборудования. Поэтому в настоящее время задача экономии энергоресурсов, особенно, в энергоемких отраслях промышленности: металлургии, машиностроении, химической промышленности, на предприятиях, производящих строительные 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. Основой для производства волокнистых материалов являются муллитокремнеземистые и базальтовые волокна с применением высокотемпературных неорганических связующих.

Все волокнистые материалы обладают эластичностью, малой кажущейся плотностью и малой теплопроводностью, трещиноустойчивостью, значительной прочностью на разрыв и на изгиб (особенно мягкие и полужесткие), термостойкостью. Основные характеристики волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Наименование	Кажущаяся плотность, кг/м3	Максимальная температура применения,°С	Теплопроводность, Вт/мпри температуре
			100°С	400°С	700°С	1000°С	1200°С
Муллитокремнеземистый войлок	200	1150	0,07	0,12	0,17	0,33	0,53
Муллитокремнеземистая плита	450	1260	0,09	0,17	0,22	0,30	0,43
Маты базальтовые АТМ-10т*	65	700	0,049	0,104	0,174	---	---
Плиты базальтовые из БСТВ*	140	700	0,047	0,095	0,155	---	---
Плиты базальтовые из БТВ**	240	700	0,052	0,120	0,171	---	---

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 габариты 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, уменьшается также в несколько раз. Резко сокращается время разогрева печи, позволяя экономить не только энергоресурсы, но и уменьшая непроизводительное время работы печи и обслуживающего персонала. Поэтому волокнистые материалы называют ещё малоинерционными. Особенно эффективно их применение в термических печах периодического действия, с постоянными колебаниями температуры печного пространства и в печах, работающих 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 - охлаждение. 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 связующем, второй слой, один из самых дешевых материалов, перлитобентонитовый кирпич, а третий слой выполнен в виде плиты из базальтового волокна. Многослойность футеровки обусловлена тем, что в ней используются 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 муллитокремнеземных волокон является высокая степень черноты, для диапазона температур 1000 – 1200°С он составляет 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. Такие системы включают плоскопламенные и дискофакельные газовые горелки и футеровку из волокнистых огнеупорных 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 повышению эффективности использования топлива и снижению концентрации в продуктах сгорания СО и NOx.

Применение рекуперативных, регенеративных устройств, систем внутренней рекуперации, утилизирующих 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 сгорания 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 рекуперации 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 технических, 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 технологическими и теплотехническими процессами на базе управляющих контроллеров дает возможность наиболее экономично вести технологический процесс, оптимизировать работу печи, термического оборудования и получить экономию энергоносителей до 5 –10 %, а также добиться высокого качества выпускаемой термообрабатываемой продукции.

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

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

Степень эффективности методов по снижению энергопотребления в промышленных печах

Таблица №2.

№ п/п	Мероприятия по энергосбережению	Эффект от выполнения мероприятий	Срок окупаемости
1	2	3	4
2	Применение волокнистых высокоэффективных огнеупорных и теплоизоляционных материалов для футеровки промышленных печей.	Экономия энергоносителей до 40% (в печах периодического действия) и до 25%(в печах непрерывного действия)Снижение габаритов печи за счет толщины кладки. Снижение массы футеровки печи до 10 раз. Сокращение сроков выхода на режим до 1,5 – 2 часов. Увеличение числа теплосмен до 1000-2000.Снижение трудоемкости монтажа футеровки в несколько раз.	Для печей периодического действия до 6 месяцев. Для печей и термоагрегатов, работающих непрерывно- 1-1,5 года.
3	Применение современных газогорелочных устройств, автоматическим регулированием соотношения «газ-воздух». Применение рекуперативных, плоскопламенных, импульсных, акустических горелок	Экономия топлива до 10%.Снижение окалинообразования на 10 – 15%. Повышение безопасности работы тепловых агрегатов	6 – 9 месяцев
4	Применение эффективных схем движения теплоносителя в тепловых агрегатах (противоток, П- образные печи с зонами рекуперации, принудительная конвекция, пламенные и тепловые завесы, рециркуляция продуктов сгорания)	Экономия топлива до 40%Повышение качества (равномерности нагрева) термообработки	5 – 8 месяцев
5	Применение рекуперативных, регенераторных устройств	Экономия топлива 10 – 20%	6 – 8 месяцев
6	Автоматизация процессов нагрева в печах различного назначения	Экономия топлива до 15%Повышение качества термообработки	1-1,5 года

 

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 герметизации 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 реконструкции 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» - 10 лет эксплуатации;

- электрические печи для обжига эмалированных изделий (посуда, ванны, газовые плиты и т.д.) – более 20 лет эксплуатации на Запорожском сталепрокатном заводе, долее 15 лет эксплуатации на Новомосковском трубном 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 – 10 лет эксплуатации;

- своды и дверцы печей для плавки алюминия, более 10 лет эксплуатации.

И т.д.

Практическая эксплуатация таких печей подтверждает высокую эффективность и надежность применения волокнистых материалов и экономичных систем отопления.

Области применения волокнистых огнеупорных и теплоизоляционных материалов и технологий энергосбережения 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 термоизоляция подвижных элементов пода. Установка рекуператоров, горелок с изменяемой геометрией факела, рекуперативных горелок.

Колпаковые, вертикальные, элеваторные, шахтные печи – футеровка стен, свода, горелочные камни, уплотнительные 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 индукционных 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 свода 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, применение рекуператоров или регенераторов, дискофакельных горелок в печах с горизонтально расположенной садкой.

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 газов, 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 защитного 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, применение рекуператоров.

Печи с шагающими балками – футеровка стен, подвесного свода, теплоизоляция подвижной и неподвижной балок, применение дискофакельных горелок.

Секционные печи нагрева труб перед закалкой и термообработки труб – футеровка секций печи, уплотнение стыков секций шнурами, применение плоскопламенных горелок.

Роликовые электрические и газовые печи для термообработки труб – футеровка стен, свода печи, теплоизоляционный слой пода, теплоизоляция роликов (уменьшение уноса тепла с охлаждающей водой).

Предприятия химической и нефтехимической промышленности, нефтеперерабатывающие заво-ды (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.