ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ И ЭНЕРГОАУДИТА

ЭНЕРГЕТИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОГРАЖДАЮЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ УСТАНОВОК

Ограждающие конструкции теплотехнологических установок выпол­няют теплотехнические, технологические и строительные функции. Строи­тельные функции заключаются в том, что обмуровка (кладка) должна обла­дать необходимой прочностью при рабочих температурах и под воздейст­вием постоянных и переменных тепловых нагрузок. Технологические функции кладки определяются степенью участия в технологическом про­цессе, т. е. взаимодействием с нагреваемым материалом и температурным уровнем процесса.

Теплотехнические функции связаны с теплофизическими свойствами обмуровки. С внутренней стороны обмуровка участвует в теплообменных процессах, совершающихся в печи, а с внешней поверхности обмуровки (кладки) происходит теплообмен в окружающую среду. Таким образом, кладка участвует в двух взаимосвязанных системах теплообмена: внутрен­ней и внешней. Для того чтобы свести это взаимное влияние к минимуму, кладку выполняют из материала, обеспечивающего ее надлежащее терми­ческое сопротивление. Комбинируя в обмуровке материалы с различными коэффициентами теплопроводности, можно получить кладку принципи­ально различных типов, для каждого из которых существует своя область применения.

Однослойная обмуровка или кладка из нескольких слоев с близкими коэффициентами теплопроводности применяется в тех случаях, когда теп­ловые потери обмуровки теплопроводностью соизмеримы с потерями теп­лоты на аккумуляцию. Кладка с внешней тепловой изоляцией применяется в печах непрерывного действия, когда потери теплоты за счет аккумулиро­вания обмуровкой малы по сравнению с теплотой, теряемой в результате теплопроводности кладки. Кладка с внутренней тепловой изоляцией при­меняется в печах периодического действия, длительность цикла которых мала.

Однослойная (тяжелая) кирпичная кладка выполняется из штучных огнеупорных изделий, наиболее проста конструктивно, но отличается большой толщиной и массой, высокой теплоаккумулирующей способно­стью и потерей теплоты в окружающую среду. Значительные напряжения сжатия основания конструкции ограничивают ее высоту и рабочую темпе­ратуру [29]. Облегченная кирпичная кладка выполняется в один слой из легковеса, а снаружи рабочего огнеупора располагаются 1-2 слоя теплоизо­ляционных материалов. Облегченная кладка используется наиболее часто, стоит дешевле, обеспечивает меньшие потери теплоты из рабочего про­странства [29].

Кирпичная кладка для продления межремонтной кампании с огневой стороны может быть покрыта защитным огнеупорным слоем - футеровкой, а снаружи для повышения газоплотности - слоем уплотняющей обмазки или металлической обшивкой. Качество кладки определяется толщиной швов между штучными изделиями. Чем ответственней кладка, тем тоньше швы. Связывание штучных изделий в кладке можно производить различ­ными способами:

• кладка всухую - наиболее трудоемка, но дает наиболее тонкий шов и высокую плотность («под» ванных печей);

• прокладка между кирпичами тонких (0,5.. .1 мм) железных пластин, которые при высоких температурах окисляются и прочно связывают огне­упорные изделия в монолит (магнезитохромитовые своды печей), применя­ется для скрепления основных огнеупоров;

• кладка на мергельных растворах наиболее распространена, а изде­лия из углеродистых огнеупоров скрепляют с помощью пасты из смолы с коксовым порошком.

Потери теплоты через футеровки и обмуровки находятся в прямой за­висимости от температуры внутри топки и окружающей среды, а также от конструкции обмуровки и футеровки. Температура наружной поверхности топки, исходя из требований техники безопасности, не должна превышать 60 °С. Экранизация наружной поверхности топки металлическим листом на высоту 1,8 м над обслуживаемой площадкой позволяет работать при тем­пературе наружной поверхности топки до 120 °С, что позволяет значитель­но уменьшить толщину огнеупорной футеровки и массу топки. Обычно это относится к топкам с жидким топливом. Круглые топки с тепловой изоля­цией, создаваемой движущейся воздушной прослойкой, имеют температу­ру наружной поверхности 60 °С за счет изменения скорости движения га­зов, подаваемых в кольцевой зазор между наружным и внутренним кожу­хами топки.

При конструировании элементов футеровки следует учитывать совре­менные прогрессивные тенденции: широкое использование монолитных и принудительно охлаждаемых футеровок, использование принципа согласо­ванной (желательно равной) стойкости отдельных частей рабочей камеры, применение оптимальных решений. Для выполнения футеровки топки применяют огнеупорные, теплоизоляционные и общестроительные мате­риалы. Огнеупорные материалы применяются для футеровки внутренних поверхностей камер горения и смешения. К ним относятся штучные огне­упорные кирпичи из шамота, хромомагнезитовые кирпичи, огнеупорные массы и бетоны. Вид используемого для отдельных частей футеровки огне­упорного материала зависит главным образом от температуры в этих час­тях топки.

Огнеупорный материал подбирают и по устойчивости к главному раз­рушающему фактору в конкретных условиях. При стабильном тепловом режиме и отсутствии расплава на футеровку воздействуют только механи­ческие нагрузки при высоких температурах. При эрозионном и механиче­ском воздействиях требуется огнеупор с повышенной механической проч­ностью - электроплавленный или плотный спеченный. При небольших ме­ханических нагрузках подбор рабочего огнеупора производят по темпера­турам огнеупорности и деформации [29].

При воздействии расплавленного технологического материала (наибо­лее частая причина разрушения футеровки) подбор огнеупора производит­ся по устойчивости к шлаку. При резко переменном температурном режиме печи и отсутствии минерального расплава подбор огнеупора производится по термостойкости.

При сочетании переменного теплового режима с воздействием рас­плавленного минерального материала выбор рабочего огнеупора произво­дится с одновременным учетом шлакоустойчивости и термостойкости. Здесь целесообразно применение набивных масс на основе шлакоустойчи - вого огнеупорного порошка. Эффективно использование защитного слоя, наносимого на поверхность рабочего огнеупора.

Повышенной термостойкостью обладают огнеупоры с однородной крупнокристаллической макроструктурой на кристаллической связке (ми­нимум стекловидной фазы) и при оптимальной общей пористости (10.18 %). При наличии значительных температурных напряжений противопока­зано использование крупноблочных или фасонных изделий [29]. При дос­тижении пластического состояния и жидкой фазы термостойкость огнеупо - ра возрастает. Высокой термостойкостью обладают футеровки из набивных масс и гарниссажные [29, 36, 37].

Монолитные футеровки дешевле кирпичной кладки, позволяют уско­рить строительство и ремонт, могут изготовляться любых размеров и фор­мы. Современные монолитные футеровки по свойствам близки к соответ­ствующим штучным огнеупорным изделиям или превосходят их, выпол­няются в виде огнеупорных бетонов и набивных масс. Огнеупорные бето­ны приобретают прочность в холодном состоянии.

Набивные массы состоят из огнеупорного порошка (размер частиц до 10.15 мм) и 3.8 % связки, плавящейся при высоких температурах (ока­лина, огнеупорная глина, металлургический шлак). Набивные массы при­обретают рабочие свойства только в процессе обжига, когда порошок спе­кается в монолит. Набивные массы используются для горячего ремонта печей. Футеровка из набивной массы может быть выполнена любой формы и размеров в виде монолита без температурных швов, так как в процессе работы она находится в пластическом состоянии.

Принудительно охлаждаемые футеровки позволяют сократить расход огнеупоров, форсировать технологический процесс, увеличить межремонт­ную кампанию в тяжелых условиях службы футеровки. Однако при этом существенно увеличивается плотность теплового потока через футеровку (с 5.20 до 40.200 кВт/м2). Принудительное наружное охлаждение футеров­ки производится сжатым воздухом, водой, пароводяной смесью или рас­плавленными солями и металлами.

Гарниссажная футеровка образуется при застывании слоя расплава на охлаждаемой металлической стенке. Гарниссажные футеровки имеют ма­лую тепловую инерцию, практически не требуют расхода огнеупоров, де­шевы и обеспечивают длительную межремонтную кампанию. Для совре­менных печей с высокой форсировкой процесса наиболее эффективна гар - ниссажная футеровка на слое огнеупорной набивки, нанесенной на ошипо­ванную металлическую поверхность.

Для уменьшения потерь теплоты через стенки и свод топки огнеупор­ную футеровку защищают теплоизоляционными материалами. К ним отно­сятся: легковесный шамотный кирпич, диатомовый кирпич, минеральная вата, асбест, котельный или доменный гранулированный шлак и другие теплоизоляционные изделия. Легковесный шамотный кирпич применяется, когда температура на границе огнеупорного и теплоизоляционного слоев выше 800 °С или если необходимо создание легкой и прочной конструкции топки. При применении необходимо учитывать его высокую стоимость и ограниченное производство.

Основным теплоизоляционным материалом для топок является диа­томовый кирпич. Его изготовляют из смеси трепела или диатомита с дре­весными опилками. При обжиге опилки выгорают, кирпич получается по­ристым, с меньшим коэффициентом теплопроводности. Диатомовый кир­пич может применяться в местах, где температура не превышает 800 °С. Недостатком диатомового кирпича является его малая механическая проч­ность. Асбестовые листы применяются в качестве прокладки между метал­лическим кожухом и огнеупорной футеровкой для уменьшения газопрони­цаемости и для теплоизоляции.

Минеральная вата применяется в виде листов, накладываемых на на­ружную поверхность огнеупорной футеровки в том случае, если после их укладки температура в пограничном слое будет не выше 75 °С. Внешнюю поверхность матов желательно покрыть алюминиевыми листами для улуч­шения внешнего вида топки. Гранулированный, котельный, доменный шлак, порошок и асбозурит применяются в качестве насыпной тепловой изоляции для сводов топок.

Основные свойства теплоизоляционных материалов и изделий топок, необходимая толщина обмуровок приведены в [29, 30, 35 - 37].