Особенности выбора и оценки направлений в энергосбережении и энерготехнологическом комбинировании для печей керамических производств.

При обжиге керамики одним из путей экономики топливно-энергетических ресурсов является утилизация образующихся ВЭР.

К основным носителям ВЭР в обжиговых печах можно отнести отходящие (дымовые) газы, выгружаемую продукцию и воздух отбираемый из печи при охлаждении продукции. По их виду эти ВЭР относятся к тепловым, а по энергетической ценности первые два, как правило, являются низкопотенциальными и обычно не используются, а воздух в основном применяется после его разбавления как низкотемпературный теплоноситель для сушки полуфабриката, хотя, с точки зрения энерготехнологии утилизация высокопотенциальной теплоты для обеспечения низкопотенциальных процессов нерациональна.

Как известно, эффективность решения вопросов утилизации ВЭР определяется в результате энергетического анализа тепловой установки. Для этого применительно к печам керамических производств, в основном, используется метод тепловых балансов, учитывающий ограничения только первого закона термодинамики. Недостатком этого метода является оценка энергии (теплоты) только с количественной стороны. Так, например, одинаковая энтальпия газа может быть получена при температуре 50 и 1000°С, однако, их энергетический потенциал будет существенно различаться. В то же время, в энерготехнологии нашёл широкое применение метод термодинамического анализа, основанный на учете эффективной части энергии – эксергии, которая в соответствии с обоими законами термодинамики отражает также и качество (техническую ценность) потребляемой и получаемой энергии. Несомненное преимущество термодинамического (эксергетического) метода заключается в том, что он позволяет выявить ту часть энергии, которая может быть потеряна безвозвратно (так называемые необратимые потери) в результате чего эффективность установки уменьшается, а также более рационально использовать энергию уходящих из установки тепловых потоков.

В качестве примера распределения энергии в промышленной установке приводится энергетический баланс действующей стекловаренной печи (таблица 1).

Таблица 1. Энергетический баланс стекловаренной печи производительностью 120т в сутки тарного стекла.

Статьи баланса для варочной части печи.	Теплота		Эксергия
	МДж	%	МДж	%
Энергия: топлива воздуха на горение шихты	51022 25268 -	66,9 33,1 -	53603 14313 2884	75,7 20,2 4,1
Всего	76290	100,0	70800	100,0
Энергия: стекломассы продуктов сгорания топлива потока теплоты через кладку продуктов сгорания топлива, выбивающихся через отверстия в кладке и излучения	14465 42797 11117 5380	19 56,1 14,6 7,0	11481 29950 5109 3100	16,2 41,6 7,2 4,4
Потери с несгоревшей частью топлива	2290	3,0	2117	3,0
Потери от необратимости процессов: горения топлива теплообмена, в том числе: в пламенном пространстве в кладке Неучтенные потери	- - - - 241	- - - - 0,3	15010 4108 528 3580 425	21,2 5,8 0,7 5,1 0,6
Всего	76290	100,0	70800	100,0

По данным таблицы видно, что в целом дебаланс энергии по теплоте и эксергии для этой печи составляет 5490 МДж, т.е. 7,2%. Значительно меньшие потери через кладку и отверстия в ней по эксергетическому балансу показывают, что использование только теплового баланса при расчете возможности экономии топлива от тепловой изоляции печи приводит практически к двукратному завышению результатов. В то же время, согласно эксергетического баланса, более целесообразно совершенствовать процесс сжигания топлива, потери которого в тепловом балансе вообще не находят отображения. В тепловом балансе также занижается энергетическая ценность топлива, и наоборот, завышается значение потока теплоты продуктов сгорания, уходящих из печи. В тоже время, это не значит, что величины указанных статей теплового баланса определены неправильно, а указывает, что техническая ценность одного и того же потока теплоты не одинакова.

Таким образом, на данном примере видно, что эксергетический метод более точно раскрывает энергетическую эффективность тепловых процессов, поэтому его следует использовать и для печей керамической промышленности.

Энергетический анализ различных топливосжигательных установок показывает, что основные потери от необратимости наблюдаются при сжигании топлива и теплообмене в самой установке. Оптимизация этих процессов в современных печах осуществляется путём подогрева воздуха на горение и использования для кладки печей материалов с высокими теплоизоляционными свойствами. Однако, другие эффективные методы (например, импульсно-взрывное горение топлива, обогащение воздуха кислородом и пр.) для керамических печей ещё не нашли практического применения.

Техническое использование ВЭР может быть рассмотрено по опыту работы предприятий химической промышленности на примере комбинированной установки - энерготехнологического агрегата (ЭТА) энергетический К.П.Д. которого выше, чем в таких же производствах, построенных только по технологическому принципу. Например, в производстве аммиака внедрение ЭТА позволило отказаться от потребления энергии со стороны и существенно снизило себестоимость продукции.

Наглядным примером эффективности ЭТА может служить также простейшая утилизационная установка с печью «кипящего» слоя для обжига колчедана и котлом-утилизатором в производстве серной кислоты, которая позволяет получить помимо основного продукта электроэнергию и пар на производственные нужды. В данном ЭТА утилизируется теплота уходящих из печи газов с температурой 800⁰С, которая вполне сопоставима с температурой воздуха, отбираемого из зоны охлаждения печей керамической промышленности.

В керамическом производстве энерготехнологический агрегат может быть создан на базе обжиговой печи. Схема такого ЭТА может предусматривать следующие направления утилизации ВЭР:

- понижение температуры отходящих газов (продуктов сгорания природного газа) до точки росы (т.е. приблизительно до 53⁰ С) для получения водяного конденсата и подогрева воды на технологические или энергетические нужды;

- охлаждение выгружаемой продукции для первоначального подогрева воздуха на горение или сушки полуфабриката;

- отбор воздуха из печи с максимальной температурой для комплексного использования данного ВЭР;

- смешивание высокопотенциальных и низкопотенциальных потоков и получение общего потока с достаточным потенциалом для его технического использования.

При решении вопросов технического использования ВЭР в керамической промышленности путём включения обжиговой печи в схему ЭТА основной задачей следует считать утилизацию теплоты всех потоков, покидающих печь, причем, в первую очередь, высокопотенциальной теплоты, например, по следующей общей схеме:

поток А. Воздух из зоны охлаждения печи – котел (утилизатор) – воздухоподогреватель (охлаждение воздуха) – сушилка – выброс в атмосферу;

поток Б. Воздух при внепечном охлаждении продукции – воздухоподогреватель (нагревание воздуха - первая ступень) – топливосжигающие устройства;

поток В. Дымовые газы – конденсатор водяных паров – выброс в атмосферу;

поток Г. Пар из котла (утилизатора) – паровая турбина – электрогенератор;

поток Д. Пар из паровой турбины – воздухоподогреватель (нагревание воздуха - вторая ступень) – паровой калорифер – конденсат.

Вода и конденсат, получаемые по данной схеме, могут использоваться как после их смешивания, так и раздельно в технологических, энергетических или бытовых целях, а тёплый воздух из калорифера на сушку или отопление.

Следовательно, по данной схеме можно получить:

а) электроэнергию для обеспечения работы электрооборудования производства;

б) подогретый воздух для сжигания топлива в печи;

в) паровой конденсат для приготовления шликеров и глазури;

г) нагретую воду и воздух для нужд производства.

Немаловажным является также уменьшение тепловых выбросов в атмосферу.

Энергетическая ценность каждого потока утилизационной схемы определяется по его эксергии, а эффективность процесса утилизации их ВЭР – по эксергетическому коэффициенту полезного действия каждого элемента схемы и в целом всего ЭТА. Целесообразность выбранных направлений и схем утилизации проверяется термодинамическим анализом выбранной схемы. При этом общая энергетическая эффективность всего ЭТА может быть повышена не только за счёт оптимизации процессов непосредственно в обжиговой печи, но и изменением параметров утилизируемых продуктов и отходов.

В целом оценка энергетической эффективности обжиговых печей с применением эксергетических расчётов создает основу для дальнейшего совершенствования их конструкции, повышения производительности и экономии топливно-энергетических ресурсов, а также в результате энерготехнологического комбинирования создание энерготехнологических агрегатов, что следует считать перспективным направлением в энергосбережении для керамических производств.

тел. +380 95 504 89 68                             С. В. Попов.