Енергийна ефективност на топилни пещи

Металолеенето е един от индустриалните сектори с най-висока енергийна интензивност, като процесът на топене отговаря за над половината (55%) от енергопотреблението. Въпреки че значителните енергийни разходи са належащ проблем за леярската индустрия, редица проучвания показват, че предприятията продължават да прилагат топилни технологии с ниска енергийна ефективност.

Простият наглед топилен процес в действителност е сложен и включва няколко етапа, свързани с материални и енергийни загуби. Причините за тези загуби са няколко – нежелана кондукция, излъчване и конвекция, загуби от отработените газове и загуби на метал. Големината на загубите се определя от дизайна на пещта, използваното гориво и метода за предаване на топлината към металите.

Тигелни пещи

Тигелната пещ е най-евтината топилна технология, предпочитана за малки обеми цветни метали. Между пламъка и метала няма директен контакт, а топлинните загуби към външната среда се ограничават благодарение на огнеупорните стени на пещта. 

Енергийната ефективност на тигелните пещи обаче е между 7 и 19%, като над 60% от топлинните загуби се дължат на излъчване. Експлоатационният живот на тигелните пещи е кратък, тъй като контролирането на температурата е трудно.

Излъчваната енергия от газова тигелна пещ може да бъде сведена до минимум чрез поставяне на облицовка, комбинираща излъчващ панел с високо съдържание на алуминий и изолация. Панелът се отличава със серия от изпъкнали полусфери, като този дизайн води до създаването на голяма повърхност и благоприятства преноса на излъчена енергия към външната повърхност на пещта. Изолирането на панела с огнеупорни продукти с ниска топлопроводимост дава възможност за намаляване на топлинните загуби и повишаване на енергийната ефективност на пещта. Установено е, че тази технология може да подобри ефективността на пещта с 30% и да увеличи скоростта на топене.

Вагрянки

Вагрянките представляват вертикални шахтови пещи, които се използват предимно за топене на чугун. По работен принцип са подобни на доменните пещи за химична редукция на метални оксиди при производството на желязо, цинк и олово. Обикновено този вид топилни пещи се използват в леярни с многотонажна продукция, например предприятия за производство на лети железни тръби или автомобилни части. Вагрянките са идеални за топене на чугун, тъй като стопените капки метал влизат в директен контакт с кокса и при движението им надолу насищат втечненото желязо с въглерод и рафинират металния продукт. Структурата на тези пещи позволява топенето на почти всички видове скрап от черни метали. Енергийната им ефективност варира от 40 до над 70%. Въпреки че през последните години концепцията за топене във вагрянки не се е изменила, добрите практики включват множество нови технологии за подобряване на енергийната ефективност и производителността.

Твърдите материали, които се подават в горната част на пещта, се топят и придвижват бавно надолу. Това движение създава абразивни условия, които водят до бързо износване на огнеупорните повърхности. В конвенционалните конструкции на вагрянки се използват огнеупорни облицовки и обикновено възможният период на непрекъсната експлоатация е ограничен до 1 седмица, преди да е необходимо повторно облицоване или ремонт. При пещите с водно охлаждане се използва стоманена вътрешна повърхност без или с малко огнеупорни материали, която редуцира необходимостта от поддръжка и удължава периода на непрекъсната експлоатация до над 2 седмици.

Водното охлаждане обаче води до значително по-големи енергийни загуби, изискващи по-бързо зареждане с кокс на тон произведено желязо. Този проблем води до разработването на подобрени конструкции, нуждаещи се от по-малък обем вода за външната обвивка на пещта и тънка огнеупорна облицовка. Агресивните топилни условия в съвременните вагрянки водят до създаването и на нови облицовки, които се отличават с подобрени характеристики по отношение на износване, топлопренос и лесен монтаж и поддръжка.

Подгряването на горивния въздух е свързано с няколко предимства, сред които и възможност за енергийни спестявания. Ползите от тази техника обаче рязко се редуцират, ако температурата на въздуха е под 400°C. Поради това често се използват вторични горива за поддържане на системите за рекуперация на отработените газове в непрекъснатото генериране на горещ въздух.

При кислородното обогатяване се добавя кислород в обемен дебит от 2 до 20% от горивния въздух, което повишава температурата на пещта и скоростта на топене. Кислородното обогатяване е широко разпространена практика в САЩ и Европа, особено за големи пещи, но процесът не е толкова популярен за по-малките инсталации, тъй като внедряването му е трудно за оправдаване от икономическа гледна точка.

Тежките условия във вътрешността на пещите затрудняват внедряването на сензори за измерване и контрол на процесните променливи, поради което много от агрегатите се експлоатират в отворен цикъл. През последните години се разработват компютърни модели, предоставящи възможност за бързо изчисление на процесните променливи с цел използването им в системи за автоматизирано управление. Компютърното управление на пещта намалява оперативните разходи, редуцира количеството скрап и повишава качеството на продукцията.

В безкоксовите пещи вместо кокс се използват природен газ, пропан или пулверизирани въглища. Въпреки че технологията е създадена преди много години, само няколко големи леярни в Европа и Индия са я внедрили. С елиминирането на кокса съдържанието на въглероден оксид в отработения газ е понижено до 1%, което е индикация за по-добра енергийна ефективност, когато се сравни с емисиите от конвенционалните пещи, възлизащи на 12 до 20%. Използването на безкоксови пещи опростява системата за емисионен контрол и води до понижаване на съдържанието на сяра в метала и намалено генериране на шлака.

Електродъгови пещи

Почти 87% от електродъговите пещи в експлоатация се използват за топене на стомана, а останалите 13% - за желязо. При тези съоръжения електроди се снижават до метала и пропускат електрическа дъга през него. Системата автоматично контролира позицията на електродите и процеса на повдигане и снижаване на всеки един от тях. Дъгата осигурява топлинна енергия за стопяване на металите, като едно от предимствата на електродъговите пещи е по-ниската загуба на метал. Повечето леярни за стомана използват електродъгови пещи. Енергийните загуби са високи поради голямото съотношение на повърхността към обема на пещта.

Потопяеми нагреватели

Понастоящем потопяемите нагреватели се използват за нискотемпературно топене на цинк. Топлинната енергия се генерира в резултат на горене или електрическо съпротивление във вътрешността на тръба, потопена в разтопения материал. Топлината ефективно се предава на стопения материал през стената на тръбата. Горивните газове никога не встъпват в контакт с разтопения метал, което е предпоставка за редуциране на загубите от окисление и подобряване на топлопреноса. Ефективността на потопяем нагревател за цинк достига 63-67%.

Тръбите на потопяемите нагреватели обикновено са изработени от метални материали с висока топлопроводимост и покрития от керамични или циментови материали за осигуряване на корозионна устойчивост. При топене на алуминий или други материали, топящи се при високи температури, се използват по-дебели керамични покрития, защото стопилката оказва по-агресивно въздействие върху тръбите. Керамичните покрития обаче действат като бариера и понижават производителността на потопяемите нагреватели. Тръбите трябва да са с достатъчна структурна якост и да издържат на чести циклични изменения на температурата. Дори малка пукнатина в покритието може да доведе до бърза деструкция на тръбата и загуба на производителност. Високотемпературните топилни пещи, използващи потопяеми нагреватели, все още се смятат за експериментални, като се полагат усилия за разработването на по-устойчиви тръби.

Индукционни пещи

Капацитетът на индукционните пещи е нараснал дотолкова, че съвременните агрегати от този вид успешно конкурират вагрянките. Химичните реакции, които трябва да се контролират в индукционните пещи, са по-малко на брой, което улеснява постигането на желания състав на стопилката. Индукционното топене обаче е много по-чувствително към качеството на суровината в сравнение с вагрянките или електродъговите пещи, поради което видовете материали, които могат да се топят в тези съоръжения, са ограничен брой. Характерното за технологията разбъркване осигурява отлична хомогенност на метала. При индукционното топене се генерират само част от емисиите, отделящи се от електродъговите пещи (пари на тежки метали и прахови частици) или вагрянките (широка гама газо- и прахообразни замърсители).

Разработването на гъвкави средночестотни индукционни захранвания с постоянен мониторинг на енергопотреблението е довело до широкото използване на методи за периодично топене в съвременните леярни. Пещите с периодично действие се изпразват след всеки цикъл, редуцирайки електроенергията, необходима за поддържане на температурата. Тези пещи включват тиристори (SCR, silicon controlled rectifier), които могат да генерират както честотата, така и ампеража, нужни за периодичното топене. Енергийната ефективност достига нива, надвишаващи 97% - съществено подобрение в сравнение с 85% при по-старите индукционни захранвания. Новите технологии позволяват максимално оползотворяване на мощността на пещта по време на топилния цикъл с добро управление на разбъркването. Някои от най-големите такива агрегати могат да претопяват по 60 тона на час, а малките пещи с много висока плътност на мощността от 700 до 1000 кВтч/т могат да претопят студено заредена суровина за 30-35 минути.

Тези нови захранвания подобряват цялостната топилна ефективност при по-ниски оперативни и фиксирани разходи. Енергийната ефективност се увеличава благодарение на по-високото електрическо съпротивление на твърдата суровина спрямо това на стопения метал.

Отражателни пещи

Този вид пещи се използват за топене на алуминий посредством топлината, която се отразява от горещия огнеупорен материал, загрят от горелките, монтирани на покрива или страничните повърхности на агрегата. Въпреки предимството, че могат да предоставят големи количества стопен метал, отражателните пещи се отличават с ниска енергийна ефективност, висока скорост на окисление, а в допълнение заемат и много голямо пространство. Енергийната ефективност на отражателните пещи варира от 20 до 25%. Енергията се губи предимно чрез горещите отработени газове. Освен това стопеният метал встъпва в контакт с пещните газове, което води до образуването на шлака. Подобрения в технологията на горелките, контрола на съотношението гориво/въздух, изолиращите огнеупорни материали и управлението на температурата допринасят за бавно, но постоянно повишаване на ефективността на отражателните пещи.

Ротационни пещи

Въртящите се пещи са алтернатива за малките и средни леярни, използващи вагрянки или индукционни пещи. Те са по-ефективни от отражателните пещи, предавайки топлина както чрез излъчване, така и чрез директен контакт между стопилката и огнеупорния материал.

Старите ротационни пещи, използвани за топене на чугун, олово и алуминий, почти са изчезнали от леярската индустрия, тъй като те се характеризират с ниска скорост на топене и затруднен контрол на температурата и качеството на продукцията. Новото поколение ротационни пещи обаче са напълно автоматизирани и имат накланящ механизъм. Възможността за накланяне на пещта свежда до минимум времето за дейности по зареждане, изпускане на разтопения метал, отстраняване на шлаката и почистване. За разлика от по-старите модели, използващи въздух за изгаряне на горивото, новите ротационни пещи използват кислород. По този начин се постигат по-високи скорости на топене, намалени емисии, постоянен състав на метала и по-ниска консумация на гориво. Други предимства са минималните изисквания по отношение на пространство, лесната експлоатация и простата поддръжка.

Поставянето на подходящо проектирана врата и система за управление осигуряват възможност за по-ефективна работа на пещта чрез мониторинг на емисиите, температурата и параметрите на въртене на пещта. Сред ползите от монтирането на врата са и редуциране на топлинните загуби от излъчване, по-добър контрол на свободния кислород и елиминиране на риска от смесване с въздух, намалени прахоотделяне и шум и повишена с до 20% ефективност по отношение на консумацията на гориво.