Сушильные установки
Сушка является неотъемлемой частью большого числа промышленных процессов. В данном параграфе главным образом рассматривается сушка твердых продуктов, хотя в настоящее время имеется ряд сушилок для газов, например система кондиционирования возду- ' ха.
Сушка твердых продуктов обычно связана с удалением'воды, но в . общем случае она предназначена для удаления любой жидкости. Уда- Дейне бёужествляется или механически, например с помощью центрифуг, или термически, когда через осушаемую среду продувается горячий воздух. Возможности экономии энергии намного выше именно в процессах термосушки, и поэтому в книге в основном рассматриваются сушилки именно этого типа. (В пишевой промышленности применяется специальная сушка замораживанием, однако в других отраслях она не используется.)
Термическая сушка — прямая или косвенная, периодическая или непрерывная — считается эффективной только тогда, когда влагосо- держание в продукте, выходящем из сушилки, снижается до необходимой степени. Необходимо строго соблюдать нормы влагосодержания. Так, недостаточная сушка, например, в текстильной'промышленности вызывает плесень, которая может затруднять дальнейший процесс, а наличие влаги в измельченных рудах определяет прочность на раздавливание и влияет на размер окатыша.
Что касается экономии энергии, то важность процессов сушки трудно переоценить. Институт Sira в Великобритании учредил Центр по контролю и измерению влажности, который должен оказывать помощь промышленным объектам в применении контрольно-измерительных приборов для определения влажности непосредственно в технологических процессах производства продукции. Этот институт снабжает промышленные объекты гигрометрами и разработал методику изменения влагосодержания (относительной влажности продукта на выходе из сушилки). Кроме снижения расхода топлива применение контрольно-измерительных приборов повышает производительность установки, улучшает качество продукта и его однородность.
Исключение пересушки может в большинстве случаев снизить расход топлива 88Рис. 5.8. Система регулирования влажности текстиля, разработанная институтом SJRA;
J — процессор; 2 —• датчик температуры материа* Лй: 3 — датчик температурь* по- влажному ‘ термометру; 4 — привод с регулируемым, числом обо* ротов; 5 — сушильное устройство; 6 система регулирования ' '
Рис. 5.7. Зависимость разности температур от влагосодержаиия для различных материалов
минимум а 10%, а, например, в текстильной и фармацевтической промышленности — до 20%. В одном из производств исключение пересушки вдвое уменьшило затраты энергии на сушку.
Методика измерения влажности основана на том факте, что когда материал омывается сушильным агентом, то его температура ниже температуры сушильного агента по сухому термометру. В состоянии насыщения материала влагой его температура приблизительно равна температуре по влажному термометру. Если же влажность материала меньше критической, то его температура будет повышаться до температуры по сухому термометру. Разница температур между показаниями сухого и влажного термометров пропорциональна содержанию влаги в материале. Данный метод поэтому пригоден для измерения любого содержания влаги ниже точки насыщения. На рис. 5.7 приводится графическое изображение зависимости между влагосодержанием (в процентах) и разностью температур для различных высушиваемых материалов.
Для измерения двух температур необходимы устройства для измерения температуры высушиваемого материала и температуры внутри сушильной установки по влажному термометру.
Для непрерывных процессов эти измерения производятся на выходе из сушилки; система регулирования влажности, разработанная институтом Sira, приводится на рис.
5.8.Ниже приводятся обоснования института Sfra необходимости регулирования влажности осушаемых продуктов для ряда производетв промышленности.
В текстильной промышленности недоосушка вызывает образование плесени и тем самым затрудняет ведение технологического процесса. Измерение влажности осуществляется по разности температур материала, при этом точность измерения зависит от волокна и составляет: для шерсти ±2%, для хлопка ±1%, для нейдона ±0,5%, а регулирование осуществлется в результате изменения выхода ткани на ширильной машине. Экономия на одну сушилку составляет более 4 тыс. ф. ст. в год при периоде окупаемости капитальных вложений мепее 12 мес.
В производстве керамической плитки нормативное содержание влаги определяет максимальную прочность плитки, соответственно снижается ее крошение и ломка и увеличивается производительность установки. Измерение влажности осуществляется прибором, устанавливаемым на конвейере, несущем комки глины, прибор определяет коэффициент отражения в инфракрасной области (точность измерения для глиняной пыли ±16%, а для комков глины ±57%). Нормативное содержание влаги поддерживается регулированием частоты вращения паровых барабанных сушилок.
Экономия средств по одной установке составляет 40 тыс. ф. ст. в год при периоде окупаемости капиталовложений 2 мес.
В производстве силикатно-кальциевого кирпича нормативное содержание влаги снижает разрушение, деформацию и вспучивание кирпича. Система регулирования фирмы Riedsdale Dietert обеспечивает поддержание нормативного содержания влаги с точностью ±0,5%. В результате уменьшения брака экономится около 2 тыс. ф. ст., а повышения прочности на сжатие — 10 тыс. ф. ст. в год. Период окупаемости составляет около 2 мес.
В производстве концентратов железной и медной руды содержание влаги определяет прочность на раздавливание и влияет на размер окатышей. Измерение влажности осуществляется таким же образом, как и в производстве керамической плитки. Точность измерения составляет ±0,3%.
В фармацевтической промышленности влажность влияет на прочность я цвет таблеток. Удовлетворительные результаты получены для сушилок с кипящим слоем, применяемых на заводе крахмально-лактозных веществ. В настоящее время они также применяются для регулирования процесса сушки таблеток с сахарной облаткой. Определение влажности основано на измерении разности температур. Точность измерения по предварительным данным составляет ±0,16%. Экономия составляет 1 тыс. ф. ст. в год пряменительно к сушилке с кипящим слоем. Для специальных лекарств эта экономия значятельно выше.
В мукомольной промышленности нормативное содержание влаги способствует оптимальной экстракции мукя из зерен пшеницы. Точность измерения влажности на основе микроволновой абсорбции составляет ±0 25%'. Экстракция с применением автоматического регулирования в сравнении с установками, где •она не применяется, увеличивает выход муки в зависимости от сорта пшеницы на 1—2,4%. Период окупаемости капиталовложений при этом составляет 4 мес.
Фирма National Asphalt Pavement Assotiation NAPA (США) провела анализ методов экономии энергии и выдала полезные рекомендации для имеющихся сушильных установок 15.13, 5.141.
Особое значение имеют методы хранения материала до сушки. В сырой атмосфере рекомендуется, чтобы во время хранения материал был накрыт или хранился таким образом, чтобы происходила естественная сушка. Фирма NAPA подсчитала, что снижение содержания влаги в материале только на 1% до ввода в сушку экономит до 10% топлива, необходимого для самого сушильного устройства. Низкое содержание влаги на входе в сушилку уменьшает также расход электроэнергии для привода вентилятора, который удаляет испаряющуюся влагу и на долю которого приходится до 50% затрат энергии, включая и удаление газообразных продуктов горения. Фирма NAPA реко- 90 мендует в первую очередь отбирать продукт для сушки снаружи при хранении его штабелями. При отборе из глубины штабелей можно отобрать материал с наиболее высоким содержанием влаги, который еще не успел просушиться естественным путем.
Расход топлива на сушку зависит от объема используемого воздуха, поскольку этот воздух нагревается и загем удаляется из сушильной камеры. Если сушилка работает с производительностью меньше максимальной или если влагоеодержание продукта ниже средних значений, то горелку можно легко отрегулировать дросселем, но тогда регулирование потока воздуха через сушильную камеру будет за-
Рис. 5.9. Эффективность применения сушильной установки фирмы Stor- dy- Hauck:
/ — общая экономия топлива; 2— экономия за счет поддержания минимального коэффициента избытка воздуха; 3 — экономия эквивалентного количества топлива за счет уменьшения расхода электроэнергий на привод вентилятора; 4 — экономия за счет снижения потерь с излучением
труднено. Регулировка демпфером может оказаться неточной, и утечка в камеру из других отверстий может привести к очень высокой нагрузке на вентилятор [5.15]. В других системах горения необходимо контролировать температуру уходящих газов, причем слишком высокая температура будет показателем недоиспользования теплоты. Следует отметить, что рекуперацию уходящей теплоты можно осуществлять на многих типах сушилок (гл. 6).
Фирма Stordy—Hauck разработала сушильную установку с рекуперативной камерой горения и регулированием соотношения между расходом топлива и воздуха. Наряду с уменьшением потерь теплоты с уходящими газами за счет поддержания минимального коэффициента избытка воздуха снижаются затраты электроэнергии на привод вентилятора и потери теплоты с излучением
На рис. 5.9 приводятся данные по экономии топлива для сушильной установки производительностью 400 т/ч, влажность материала на выходе из сушилки 5%, а температура 150 °С. Топливо — газ или нефть.
Фирма NAPA в результате исследования процесса горения в сушилке определила, что изоляция из огнеупорного кирпича позволит увеличить эффективность классических барабанных сушилок за счет увеличения температуры внутренней стенки и соответственно повышения степени радиационного и конвективного нагрева материала, снижения потерь теплоты через стенку сушилки.
В гл. 6 будут рассмотрены недавно разработанные методы сушки, новые установки для этих целей, а также дана оценка потенциальных возможностей применения утилизации сбросной теплоты — процессов сушки.
- Печи
Печи — наиболее крупный потребитель энергии в промышленности, и поэтому здесь более чем где бы то ни было должна использоваться энергосберегающая техника.
Теплоутилизационные системы для печей привлекают наибольшее внимание. Они подробно будут рассмотрены в гл. 6. В данном параграфе достаточно отметить, что сбросная теплота может использоваться для многих целей, включая подогрев воздуха для горения, подогрев холодного сырья, выработку пара или горячей воды или нагрев жидкостей. Подсчитано, что только в Великобритании потери теплоты сбросных газов печей эквивалентны 100 млн. ф. ст. в год. Одним из методов экономии, менее дорогостоящим, чем применение теплоутилизационных установок, является изоляция агрегата. Потеря теплоты зависит от состояния футеровок печи, изоляции и печных дверей, поэтому необходим их регулярный ремонт. Наиболее важным вопросом в совершенствовании изоляции является разработка огнеупорных материалов с малыми значениями плотности и коэффициента теплопроводности. Так, например, эффективной является изоляция, состоящая- из керамических волокон на основе оксида алюминия или оксида кремния,. Она может быть в виде ваты, веревок и больших полотен. Эффективность этой изоляции такова-, что слой толщиной 100 мм эквивалентен слою в 300 мм из шамотного кирпича, который подвергался спека нию с высоко- и низкотемпературным футеровочньш кирпичом [5.191. Некоторые : виды изоляции из керамического волокна выдерживают температуру до 1600° С. Такие огенупорные покрытия широко применяются на электропечах, особенно периодического действия. В сравнении с расходом энергии в печах с классической кирпичной футеровкой расход энергии в печах с новой футеровкой снижается на 50%, и такие же результаты получены на газовых печах. Фирма Steel Castings Research and Trade Ass (SCRATA) (Великобритания) значительно улучшила КПД одной из своих печей, использовав такую футеровку из керамического волокна марки Kaowool. Время установки футеровки и ее стоимость были также значительно снижены путем уста- ноаки этой футеровки непосредственно на имеющуюся обшивку из кирпичной кладки, что исключило, таким образом, необходимость применения в таких случаях стальной подпорки в виде оболочки. Установка такой футеровки на печи с выдвижным подом размером 4,6 х 3 м заняла 5 дней при общих расходах 2300 ф. ст. (1000 ф. ст. — стоимость материала плюс 1300 ф. ст. — расходы на установку).
Измерения расходов газа в режимах циклов термообработки до и после установки новой футеровки показали, что в печах с новой футеровкой экономия газа в среднем составляет 30%.
Перевод трех термических печей на новую футеровку дал экономию топлива, эквивалентную около 1 тыс. ф. ст./мес.
Фазы нагрева и охлаждения в различных циклах термообработки сильно сократились из-за низкой аккумулирующей способности футеровки.
Таблица 5.1. Сравнение результатов эксплуатации печи для обжига керамики с футеровкой из волокон Saffil и кирпича
Фут ? ровка | Реж нм | Длительность цесса, | про і ! | Футеровка ! | РйЖ И \! | Длительность процесс;! ч | |||
Нагрев | Прог рееа иие | Охлаж дение | Нагрев | Прог ревя- НИР | Охлаж дение | ||||
Полая посуда | Плоская посуда | ||||||||
Кирпич | 1 | 15,5 | її | Кар піч | 18,5 | 3 | 11 | ||
Волокло | 1 а* | 7,5 | 8 | Волокно | За | 10 5 | 3 | 8 | |
Кирпич | 2 | 8,5 | 11 | Кирпич | 4 | 11 | 3 | 11 | |
Волокно | 2а * | 7,5 | 8 | Волокно | 4а* | 10,5 | 3 | 8 |
* При самом быстром нагреве изделия в печи остаются целыми.
Другим примером эффективной футеровки, применяемой для газовой печи на первой; стадии обжига в керамической промышленности, являются волокна Saffil (производитель — фирма IC1). В табл. 5.1 приводится сравнение результатов эксплуатации этой печи с футеровкой из волокна Saffil с результатами эксплуатации такой же печи, футерованной кирпичом. Печь работает при температуре до 1250 °С, она имеет внешний стальной кожух с размерами 4,54 х 3,18 X 3,02 м.
Правильный режим рабочих нагрузок печи снижает расход энергии на вторичный нагрев, но если печь имеет большие интервалы между загрузками, то температура в печи в этих интервалах должна поддерживаться минимальной. Кроме того, следует строго соблюдать режим предварительного нагрева печей, чтобы вести его не дольше, чем это требуется.
Регулирование давления в больших печах обеспечивает минимальный выход пламени и также препятствует присосам холодного воздуха через любые отверстия. Обычно в печи поддерживается небольшое положительное давление, а равномерное его распределение способствует даже интенсификации процесса нагрева.
Поддержание соответствующих параметров в печи и в других установках должно осуществляться с помощью контрольных диаграмм, представляющих собой зависимости КПД печи от избытка воздуха, температуры уходящих газов, тепловой нагрузки. С их помощью операторы могут быстро изменить объем воздуха на горение для получения максимально возможного КПД процесса. Такие диаграммы, применяемые фирмой 1СІ, приводятся на рис. 5.10 и 5.11 [5.201; в большинстве случаев их применение позволяет увеличить КПД процесса на 5%. Наиболее очевидным показателем пережога является появление пламени в дымовой трубе. Дымовые трубы на многих печах имеют завышенный размер; это приводит к избыточной потере теплоты и невозможности герметизировать камеру без использования демпферов. Если печь большую часть года работает с нагрузкой ниже максимальной, то размер дымовой трубы, конечно, должен быть уменьшен. Окалина •на поверхностях нагрева снижает КПД печи, поэтому необходим по-
Рис. 5.10. Диаграмма режимов печи:
Цифры — температура уходящих газов. Тепловой КПД получен при условии, что остальные потерн приняты за 1.5%; / — влияние избытка воздуха на температуру уходящих газов при фиксированной загрузке печн (показатель эффективности — отношение действительного расхода топлива к нормативному расходу)
Рис. 5.11. Влияние тепловой нагрузки на тепловой КПД печи (нагрузка в процентах проектной)
стоянный контроль за процессом их окисления. При частных колебаниях температуры в печи срок ее службы, и главным образом срок службы огнеупорных частей, сокращается. Следует учитывать это обстоятельство и исследовать возможности изменения режима работы.
Источником потерь энергии может быть как сама печь, так и оборудование для загрузки и выгрузки камеры. Каркасы печи, которые чаще всего охлаждаются водой, могут действовать как поглотители существенного количества теплоты. Желательно изолировать их для предотвращения избыточного нагрева воды. Ленты конвейеров печей непрерывного действия и установок термообработки должны возвра- шаться в печную зону через нагретое пространство или предварительно нагреваться сбросными газами, чтобы не затрачивать дополнительную энергию для их вторичного нагрева. Например, фирма SCRATA изолирует ковши, предназначенные для переноса жидкого металла, с целью снижения потерь теплоты жидкого металла из-за радиации и конвекции с поверхности. Были проведены исследования с собственными материалами фирмы для покрытия ковша для индукционной печи массой 50 кг с расплавом стали, перегретым до температуры 1650 °С. Полученные кривые охлаждения (рис. 5.12) показывают, что 94
Рис. 5.12. Кривые охлаждения для 0,3%-ной углеродистой стали в индукционной печи с использованием различных покрытий ковша:
J — без покрытия; І — шлак; 3 — вермикулит;
4 — экзотермическое покрытие мзркн KSR; ? — похрыше марки KSR К-Ше А
все применяемые материалы сни- жают потерю теплоты, образуя пограничный слой, отделяющий металл от холодного воздуха. Среди испытанных материалов вермикулит и шлак расплавлялись, образуя шлакоподобный слой, и имели примерно одинаковые свойства, а наиболее эффективными оказались собственные материалы фирмы. Стоимость покрытий полностью компенсировалась стоимостью энергии для перегрева,
необходимого для окончания или более длительной разливки стали.