Энергосбережение в термическом оборудовании

 28 декабря 2010

Оборудование старое, а требования новые

/Rusmet.ru, Ольга Фомина/ Несмотря на значительную универсальность с точки зрения сортамента нагреваемых изделий и режима нагрева, наиболее распространенные в отечественной металлургии камерные нагревательные и термические печи имеют ряд существенных недостатков. Среди них: большие тепловые потери с уходящими газами, неравномерность нагрева садки, высокий угар металла при нагреве. Кроме того, термические камерные печи характеризуются существенными затратами теплоты на разогрев кладки, что связано с периодичностью работы, обусловленной заданным графиком нагрева.

Плюс ко всему на украинских метпредприятиях используется, как правило, физически изношенное и морально устаревшее оборудование. «Возраст» некоторых печей достигает 20-30 лет. Они неэкономичны из-за использования в них устаревших огнеупорных и теплоизоляционных материалов. Также на энергоэффективности термических производств сказывается незначительная загрузка печей, нередко составляющая 20-30% от номинальных значений. Обследование печного хозяйства металлургических заводов Украины показало, что удельные расходы топлива в отечественных печах значительно выше по сравнению с зарубежными агрегатами.

Выход из положения один – необходимо обновлять парк термического оборудования. При этом, стоит использовать избирательный процесс: возможно, часть печей следует незамедлительно останавливать на полную реконструкцию, так как их эксплуатация убыточна, и проводить замену самого типа печей или замену энергоносителя. Другим при остановке на ремонт может быть предложена частичная модернизация. А где-то необходимо просто вывести часть термического парка из технологического оборота.

В условиях постоянного роста цен на природный газ, затянувшейся нестабильности в промышленности и энергетике, вопросы выбора энергоносителей и их эффективного и экономного расходования выходят на первый план.

Сегодня наиболее часто источником тепловой энергии термического оборудования является природный газ, реже – электроэнергия. Это так называемое наследие, оставшееся еще со времен СССР, когда в условиях экономической стабильности и низкого уровня цен на энергоносители, особенно, на природный газ, предпочтение, как правило, отдавалось газовому нагреву. Низкая теплотехническая и технологическая эффективность использования природного газа компенсировалась его невысокой стоимостью.

Сегодня же определяющим фактором при сравнении газ-электроэнергия является сопоставление стоимости необходимой тепловой энергии в эквиваленте 1 кВт*час. Как показывают расчеты, стоимость необходимой тепловой энергии, получаемой сжиганием природного газа, в 1,5-1,6 раза дороже электроэнергии. Помимо эффективности и экономичности использования электрический нагрев обладает и другими преимуществами: точностью и стабильностью поддержания и регулирования температуры и мощности; мобильностью, технологичностью и компактностью конструкций печей; простотой пуска и эксплуатации; высоким качеством нагрева; экологичностью. Учитывая данные факторы, можно сделать вывод, что правильный выбор теплоносителя в процессах нагрева и термообработки металлов является достаточно актуальным вопросом, требующим оперативного решения.

Пути сбережения

При реконструкции и модернизации непосредственно печей нагрева первоочередным является удовлетворение требований эффективного использования топлива и других ресурсов, т.е. решение проблемы энерго- и ресурсосбережения. Таким образом, решение задачи интенсификации теплообмена в печах как средства повышения скорости нагрева и, как следствие, производительности нагревательных печей, являвшейся наиболее актуальной в советские времена, к настоящему времени утратило свою важность.

К основным современным способам экономии энергии в камерных нагревательных и термических печах следует отнести: уменьшение теплового дефицита металла, снижение потерь теплоты в окружающую среду и повышение коэффициента использования теплоты топлива (КИТ).

Уменьшение теплового дефицита металла, т.е. количества теплоты, которое необходимо израсходовать для нагрева металла от начальной до конечной температуры, достигается на практике путем повышения начальной температуры металла при посаде его в печь. Такой так называемый «горячий посад» возможен при сохранении в металле теплоты, полученной им в предыдущем переделе, в том числе теплоты кристаллизации слитков. При температуре посада 300-400⁰С расход топлива уменьшается на 40%. В настоящее время технология посада в нагревательные колодцы слитков с незатвердевшей сердцевиной применяется на комбинате «Запорожсталь» и обеспечивает сокращение удельного расхода топлива на 40%, от 51,7 до 30,7 кг условного топлива на тонну слитков.

Для сокращения энергетических затрат необходимо как можно меньше охлаждать заготовки, полученные на МНЛЗ, перед посадом в нагревательные печи для последующей прокатки. Для этого можно использовать технологию литейно-прокатных модулей.

В некоторых случаях появляется возможность вообще исключить промежуточный нагрев между двумя последовательными прокатными станами, т.е. довести тепловой дефицит до нуля благодаря уменьшению потерь теплоты раскатами при транспортировке от одного стана к другому. На комбинатах «Запорожсталь» и ММК им. Ильича внедрена технология «транзитной» прокатки слябов на непрерывных листовых станах, при которой 95% слябов прокатываются без промежуточного нагрева в методических печах. В этом случае расход условного топлива в методических печах сокращается с 85 до 15 кг/т.

Уменьшить тепловой дефицит металла можно также путем снижения температуры нагрева металла в печи. Однако не стоит забывать, что это повлечет за собой не только сокращение расхода топлива, угара и обезуглероживания металла, но и увеличит расход электроэнергии на прокатку, что вероятнее приведет к сокращению срока службы прокатных валков.

Потери теплоты из рабочего пространства печи, в принципе, характерны для любых печей. Но в нагревательных и термических печах циклического действия, когда в цикл термообработки входит охлаждение печи до низкой температуры или когда такое охлаждение обусловлено длительными промежутками между циклами нагрева садки, потери теплоты особенно существенны. Футеровка таких печей, выполненная из шамотного кирпича, поглощает примерно в три раза больше теплоты, чем садка металла. Уменьшение количества теплоты на разогрев футеровки достигается путем замены шамотных огнеупоров малоинерционными муллитокремнеземистыми волокнистыми плитами, производство которых хорошо налажено в Украине.

В целом применение в качестве теплоизоляции и футеровочного слоя малоинерционных материалов позволяет значительно сократить трудозатраты при монтаже футеровки, увеличить экономию энергоносителя в печах периодического действия до 40% и до 25% в печах непрерывного действия, уменьшить габариты печи за счет толщины кладки, снизить массу футеровки печи до 10 раз, сократить срок выхода на режим до 1,5-2 часов. Кроме того, конструкция футеровки обеспечивает простоту и удобство монтажа, а также хорошую ремонтопригодность.

Повышения КИТ можно достичь несколькими способами, среди которых: снижение температуры уходящих газов, уменьшение объема продуктов сгорания на единицу топлива с помощью обогащения воздуха кислородом посредством повышения теплоты сгорания топлива либо полного сжигания топлива при минимальном избытке воздуха. Данный эффект также дает уплотнение рабочего пространства и регулирование давления газов в печи с целью устранения подсосов атмосферного воздуха.

Наиболее эффективным средством повышения КИТ и экономии топлива считается утилизация теплоты уходящих из печи газов, в частности, путем нагрева воздуха и газообразного топлива в рекуператорах или регенераторах. В рекуператорах доля теплоты, передаваемой воздуху по отношению к теплоте уходящих дымовых газов, составляет 30-40%. Оставшиеся 60-70% теплоты выносится в атмосферу.

На печах большой мощности устанавливают дорогостоящие энергетические котлы-утилизаторы. Однако присущая нагревательным печам работа с переменной производительностью приводит к низкой эффективности эксплуатации таких котлов.

Применение для утилизации теплоты печных газов малогабаритных, в частности, шариковых регенераторов представляет собой наиболее перспективное направление в развитии конструкций нагревательных печей. Шариковые регенераторы возвращают в печь 85-90% теплоты уходящих из печи газов. Температура подогрева воздуха, примерно, на 100⁰С ниже температуры дыма на выходе из печи. Расход топлива на печь сокращается в 1,5-2 раза.

Первая в Украине нагревательная печь с шариковыми регенераторами была введена в эксплуатацию на ОАО «Арселор Миттал Кривой Рог» еще в 2003 году. Работа реконструированной печи продемонстрировала ряд преимуществ. Так, температура нагрева воздуха на входе в горелку сейчас составляет 1200⁰С вместо 600⁰С, КИТ повысился от 50 до 75%, расход топлива на нагрев слитков сократился на 30%. При этом также снизился расход огнеупоров, уменьшилась стоимость ремонтов. Требующие замены через 2-3 года фасонные огнеупоры трубчатых керамических рекуператоров заменяются корундовыми окатышами, стойкость которых в условиях нагревательных печей фактически не ограничена.

Не словом, а делом

За последние несколько лет не многие украинские метпредприятия могут похвастаться значительными инвестициями в модернизацию производства. Тем не менее, в частности, в направлении повышения эффективности термических агрегатов кое-что было сделано.

Так, значительной экономии топлива удалось достичь при модернизации нагревательных печей на ОАО «Арселор Миттал Кривой Рог». Реконструкция проводилась на основе таких технических решений, как применение новых огнеупорных и теплоизоляционных материалов, усовершенствование конструкции печных горелок, внедрение современных автоматизированных систем управления технологическим режимом печей на основе микропроцессорной техники. Плюс ко всему внедрение на МПС-250/150-6 уникального оборудования – неприводной, т.е. не имеющей электропривода клети разработки ученых Института черной металлургии (г. Днепропетровск). Это способствует экономии электроэнергии за счет высвобождения из технологического процесса прокатки металла части обычных приводных клетей.

В рамках модернизации производства на ММК им. Ильича планируется строительство новой нагревательной печи № 1 на стане-1700. Также в настоящее время здесь осуществляется поиск путей ухода от применения газа на других нагревательных печах стана-1700. В целом, по оценкам экспертов, у комбината есть большие резервы экономии газа, связанные с эффективностью работы нагревательных печей, горелок, а также со строгим учетом газопотребления.

На предприятии ЗАО «Донецксталь» начаты работы по реконструкции прокатного производства: с целью сокращения потребления природного газа на нагрев металла. Для этого планируется модернизация станов и всех нагревательных печей.

Конечно, в рамках всей металлургической отрасли Украины – это лишь капля в море. Многим предприятиям просто не хватает финансовых средств для осуществления намеченных планов реконструкции. Но необходимо помнить, что помимо затратных путей экономии энергии при эксплуатации термического оборудования существует и целый ряд беззатратных или требующих незначительных затрат мер. Среди них: использование не менее 70% рабочего пространства оборудования, составление оптимальных графиков загрузки-выгрузки, эксплуатация печей в продолжительном режиме, контроль и учет потребления энергоносителей, местные уплотнения частей термического оборудования, использование вторичных ресурсов (отходящих газов, воды) и т.д.