Технологические цехи металлургического завода являются потребителями большого количества сжатого воздуха. Сжатый воздух используют для дутья в доменные печи, для работы пневматических машин и пневмоинструмента, для сжигания топлива в обжиговых, нагревательных и термических печах.
Расход сжатого воздуха в доменных цехах значительно превышает расход воздуха в каких-либо других производствах. Так, для получения 1т чугуна необходимо около 3000 м3 воздуха при нормальных условиях. Для дутья в доменные печи необходим воздух давлением 0,3-0,4 МПа, он вырабатывается на паровоздуходувных станциях ПВС, обычно совмещенных с ТЭЦ (ТЭЦ-ПВС).
Воздуходувные агрегаты, предназначенные для подачи воздуха в доменные печи, устанавливают на воздуходувных станциях.
Эти станции бывают разного исполнения:
паровоздуходувные (ПВС), включающие котлоагрегаты, паровые турбины и агрегаты доменного дутья;
комбинированные, паровоздуходувные и электрические (ПВС в составе ТЭЦ-ПВС), состоящие из агрегатов доменного дутья и паровых турбин;
ПВС или ТЭЦ-ПВС, имеющие в своем составе компрессоры доменного дутья с электроприводом;
воздуходувные станции, включающие только компрессоры воздушного дутья с электроприводом (ЭВС).
Воздуходувные станции оборудованы многоступенчатыми центробежными воздуходувными машинами. Количество ступеней определяется величиной требуемого давления. Основным элементом центробежных воздуходувных машин является рабочее колесо с лопатками, отбрасывающими воздух при вращении колеса за счет центробежных сил от центра к периферии, при этом воздуху сообщается энергия, повышающая его давление. Из-за значительного нагрева воздуха компрессоры снабжают водяным охлаждением.
Основной тип привода доменных воздуходувок - паровая турбина. Турбины, используемые для этих целей, работают на паре давлением 3,5 МПа или 9 МПа с температурой, соответственно, 435 0 С или 535 0 С. Иногда применяют приводы других типов. Перед подачей в доменную печь воздух после сжатия нагревают до температуры около 1000 0 С в доменных воздухонагревателях (кауперах).
Основной производитель центробежных компрессорных машин, используемых в качестве вохдуходувных агрегатов, Невский машиностроительный завод, г. Санкт-Петербург. Производительность выпускаемых этим предприятием машин от 2500 до 6900 м 3 /мин, давление воздуха 0,45-0,53 Мпа, привод – паровая конденсационная турбина мощностью 12-30МВт.
Для привода пневмомашин и пневмоинструмента используют воздух давлением 0,6-1,0 МПа. Сжатый воздух таких давлений получают централизованно на компрессорных станциях с помощью поршневых и центробежных компрессоров. Центробежные компрессоры предпочтительней, так как обеспечивают непрерывную подачу газа, надёжны и просты в обслуживании, не загрязняют сжатый воздух маслом. Поршневые компрессоры обеспечивают большую степень сжатия газа при одинаковых габаритах с центробежными компрессорами, но имеют меньшую производительность и менее надежны. В связи с этим современные компрессорные станции, как правило, оборудуют центробежными компрессорными машинами. Невский машиностроительный завод выпускает компрессоры производительностью от 345 до 3200 м 3 /мин, давление воздуха до 1,4 МПа.
Сжатый воздух к потребителям транспортируют с помощью развитой сети воздухопроводов, с воздуходувной и компрессорной станций раздельно. Воздухопроводы к доменной печи теплоизолированы, так как температура воздуха после сжатия повышается до 200 0 С. Эти воздухопроводы имеют диаметры, достигающие 2500 мм.
Для сжигания топлива в обжиговых, нагревательных и термических печах используют сжатый воздух давлением 0,003-0,01 МПа, подаваемый центробежными нагнетателями (вентиляторами), устанавливаемыми в непосредственной близости от потребителя.
Общее требование для сжатого воздуха - отсутствие механических примесей, влаги, паров масла. Очистка от механических примесей осуществляется с помощью фильтров, а от влаги и паров масла - путём охлаждения сжатого воздуха. Однако при этом не вся влага конденсируется, и её наличие в трубопроводах может привести к образованию зимой ледяных пробок.
Получение сжатого воздуха требует значительных затрат (так, стоимость доменного дутья - 30% стоимости чугуна).
До сих пор мы рассматривали применение сжатого воздуха для совершения механической работы, получения и переработки информации.
В металлургии сжатый воздух выполняет свою самую древнюю функцию участвует в технологических процессах в качестве реагента, содержащегокислород. Главная функция сжатого воздуха в металлургии - дутье, т.е. подача сжатого воздуха в самые различные производственные агрегаты - домны, мартены, конвертеры. Дутье является необходимым фактором технологических процессов в этих агрегатах, так как без воздуха, а точнее без кислорода, нет горения.
Первый из этих процессов - обогащение руды, т.е. повышение содержания железа или другого металла и понижение содержания вредных примесей. Один из способов обогащения - флотация. Ее осуществляют в специальных ваннах, куда подают тонко измельченную руду вместе с водой - пульпу. Через эту пульпу продувают сжатый воздух. Пенная флотация основана на том, что одни минералы не смачиваются водой, прилипают к пузырькам воздуха и поднимаются, а другие минералы смачиваются водой и остаются в пульпе. В результате частицы металла всплывают на поверхность, а пустая порода оседает на дне ванны.
В пневматических флотационных машинах сжатый воздух подается по трубам под небольшим давлением. Флотацию широко используют для обогащения руд цветных металлов, где содержание основного компонента низкое. В железных рудах содержание основного компонента гораздо выше, но и их приходится обогащать. В черной металлургии флотацию применяют для обогащения марганцевых руд и железорудных концентратов, содержащих 70-72 % железа.
Следующий металлургический процесс - агломерация т.е. окомкование мелких и пылеватых руд. Для этого пылеватую руду спекают на агломерационной машине. Агломерационная машина представляет собой металлический конвейер, каждое звено которого выполнено в виде решетки. На этот конвейер из бункера подают увлажненную мелкую руду, смешанную с небольшим количеством топлива - кокса. Конвейер проходит над мощными вентиляторами, которые просасывают воздух сквозь слой смеси руды с коксом. Кокс начинает гореть, руда разогревается до высокой температуры и из мелкой превращается в прочную пористую массу - агломерат. Домна, в которой используют агломерат, дает больше чугуна, чем домна без его применения.
Железо в руде находится в форме окислов. Целью доменного процесса является освобождение железа от связанного с ним кислорода - восстановление. Загрузочный аппарат засыпает в доменную печь в определенной пропорции рудные материалы, топливо (кокс) и флюсы. Загружают отдельные виды сырья слоями, чтобы увеличить поверхность их соприкосновения, на которой происходят химические реакции.
В нижнюю часть домны, в ее горн, через специальные отверстия - фурмы вдувают горячий воздух. Кислород, содержащийся в воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, в результате чего образуется углекислый газ СО 2 . Он поднимается выше, проходит через кокс, вступает с ним в реакцию, продуктом которой является окись углерода СО. Поднимаясь выше, она отнимает у окислов железа содержащихся в руде, кислород и связывает его. Освободившееся железо вступает во взаимодействие с углеродом образуется сплав - чугун.
Для подачи дутья чаще всего используют центробежные воздуходувные машины с приводом от паровой турбины. На одну тонну чугуна расходуют 2500 - 3500 м воздуха, т.е. производительность воздуходувной машины составляет до 8000 м 3 /мин. Такое количество холодного воздуха охлаждало бы доменную печь и увеличивало бы расход топлива, поэтому перед подачей в домну воздух предварительно нагревают до 1100 - 1300 °С в воздухонагревателях - кауперах. Их располагают рядом с доменной печью.
Кауперы представляют собой закрытые металлическим кожухом башни высотой до 50 м и диаметром до 9 м. Внутри они разделены на две части: камеру сгорания и часть, заполненную насадкой из огнеупорного материала. В камере сгорания сжигают топливо. Продукты сгорания, проходя через насадку, отдают ей свое тепло и раскаляют ее. Когда насадка нагревается до высокой температуры, подачу топлива прекращают. После этого мощными воздуходувными машинами нагнетают в воздухонагреватель холодный воздух. Проходя через раскаленную насадку, воздух нагревается, и его направляют к кольцевому воздухопроводу, опоясывающему домну - фурменному поясу. Отсюда через фурмы воздух под давлением 0,35 - 0,4 МПа равномерно вдувается в домну.
Для нагрева насадки требуется определенное время. Поэтому для бесперебойного снабжения домны горячим дутьем возле нее устанавливают несколько воздухонагревателей. Одни из них нагреваются, а другие нагревают воздух. Заметим, что в воздухе содержится 1/5 кислорода и 4/5 азота, причем азот ни в каких химических реакциях не участвует, однако на его нагрев тратится тепло. Гораздо выгоднее осуществлять дутье в доменном процессе воздухом, обогащенным кислородом, или чистым кислородом.
Применение кислородного дутья упрощает доменный процесс, позволяет уменьшить его расход на единицу топлива. Это дает возможность уменьшить размеры и мощность воздуходувных установок, воздухонагревателей и трубопроводов, высоту доменных печей.
На целесообразность обогащения дутья кислородом указывал еще Д.И. Менделеев. Однако практическая реализация кислородного дутья стала возможной лишь в 30 - 40-х годах XX в., когда были созданы достаточно мощные машины для разделения воздуха на кислород и азот в больших количествах. Заслуга создания отечественной кислородной промышленности принадлежит академику П.Л. Капице.
Не меньшую роль играет сжатый воздух при выплавке стали. Если процесс выплавки чугуна - восстановительный, то выплавка стали из чугуна и металлического лома - окислительный процесс. При выплавке стали удаляются примеси - углерод, кремний, марганец, которые окисляются. А для окисления нужен кислород.
Бессемером и Томасом был разработан быстрый и эффективный способ «варки» стали - конвертерный. Он заключается в том, что расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем кислород соединяется с углеродом, кремнием и марганцем.
Конвертер представляет собой стальной сосуд грушевидной формы, сужающийся кверху. Изнутри он выложен огнеупорным кирпичом. В днище конвертера имеются отверстия, через которые подают сжатый воздух под большим давлением. В конвертер заливают расплавленный чугун, а затем продувают его снизу сжатым воздухом. В результате углерод быстро выгорает, и сплав почти полностью обезуглероживается - образуется сталь. При соединении кислорода с кремнием и марганцем выделяется тепло. Это избавляет от необходимости тратить топливо в конвертерном процессе.
Д.И. Менделеев называл бессемеровские конвертеры печами без топлива. Однако конвертерный способ при использовании продувки чугуна сжатым воздухом имел и ряд недостатков. При продувке металл насыщался азотом, содержащимся в воздухе. Это повышало хрупкость стали и ее склонность к старению. Кислород воздуха не затрагивал вредные примеси - серу и фосфор. При бессемеровском способе можно было применять не всякий чугун, а только содержащий кремний и марганец, которые при окислении выделяют большое количество тепла. Поэтому железный лом конвертерным способом перерабатывать было нельзя, а можно было использовать только жидкий чугун. Гораздо рациональнее использовать для продувки в конвертерном процессе не сжатый воздух, а чистый кислород. Однако во времена Бессемера его еще не научились получать из воздуха в больших количествах.
По всем этим причинам конвертерный способ выплавки стали надолго уступил место мартеновскому способу, который позволяет перерабатывать не только чугун, но и железный лом.
Топливом для мартеновской печи служит мазут или смесь коксового газа, получаемого в коксовых батареях, и доменно-колосникового газа. И эта смесь, и воздух перед подачей в мартен нагреваются в регенераторах. Отличие регенератора от воздухонагревателя доменной печи заключается в том, что для нагрева воздуха в воздухонагревателе сжигается топливо, а в регенераторе используется тепло, выносимое из мартеновской печи раскаленными продуктами сгорания топлива, т.е. осуществляется регенерация тепла.
Регенератор представляет собой большую камеру, выполненную из огнеупорного материала и заполненную ячейками из огнеупорного кирпича - насадкой. У каждой мартеновской печи две пары регенераторов для нагрева газа и воздуха. Пока одна нагретая пара отдает тепло холодным газу и воздуху и постепенно остывает, насадка другой пары регенераторов, через которые пропускаются уходящие из мартеновской печи продукты сгорания, нагревается ими. Когда насадка нагревается до определенной температуры, происходит автоматическое переключение направления потоков газа и воздуха. Нагретые регенераторы начинают работать - отдавать тепло газу и воздуху, а остывшие останавливают на нагрев. Эти переключения производят через каждые 15 - 20 мин. Топливо подается в мартеновскую печь всегда с избытком воздуха, поэтому в ней всегда имеется окислительная среда. Уже в процессе загрузки чугуна и лома начинается окисление примесей.
Производительность мартенов составляет 100 т стали в час. Применение обогащенного кислородом воздуха и чистого кислорода интенсифицирует процесс выплавки стали в мартеновских печах так же, как и выплавки чугуна в домнах.
Однако прирост производства стали во всех странах в наше время происходит за счет строительства не мартеновских цехов, а кислородно-конвертерных. Кислородный конвертер устроен так же, как и бессемеровский. Отличие его от бессемеровского в том, что дно у него цельносварное, а кислород подается не снизу, а сверху, под высоким давлением (0,9 - 1,4 МПа). Корпус и днище кислородного конвертера облицованы огнеупорными материалами. Струя подаваемого кислорода внедряется в жидкий металл и вступает в реакцию с примесями чугуна. В течение первых 5-10 мин окисляются кремний и марганец. В результате реакции окисления выделяется тепло, и температура металла в конвертере поднимается до 1400 - 1450 °С После этого происходит быстрое окисление углерода - он выгорает. Кислород продолжают вдувать до тех пор, пока содержание углерода не снизится до 2%. При этом металл разогревается до 1600 °С Реакции окисления, проходящие в конвертере, дают столько тепла, что его становится достаточно не только для нагрева жидкого чугуна, но и для расплавления железного лома.
Кислородно-конвертерный способ по сравнению с мартеновским и электросталеплавильным имеет более высокую производительность - до 400 - 500 т в час. К тому же он свободен от недостатков бессемеровского процесса и годится для любых видов чугуна и железного лома.
Конвертерный способ применяется не только при выплавке стали, но и при выплавке меди в цветной металлургии.
При сжатии окружающего нас воздуха концентрация в нем паров и твердых частиц значительно увеличивается. Процесс сжатия заставляет пар конденсироваться в виде капель, а затем смешиваться с твердыми частицами с высокой концентрацией. Получается абразивная смесь, которая во многих случаях также имеет кислотную реакцию. Без оборудования для получения качественного воздуха большая часть этой коррозийной смеси попадет в сеть сжатого воздуха.
Инвестиции в эффективное оборудование Ceccato для обработки воздуха приносят твердый доход: это оборудование радикально снижает уровень загрязнения воздуха, предотвращая коррозию в трубопроводах, повреждения пневматического оборудования и порчу продукции.
Почему нужен качественный воздух?
|
Некачественный воздух стоит слишком дорого Поступая в инструменты, машины и измерительные приборы, сжатый воздух низкого качества чаще становится причиной аварий, что требует работ по ремонту и замене оборудования. Кроме расходов на устранение последствий повреждений, простои, возникшие в результате ремонта, и задержки выпуска продукции зачастую обходятся дороже любого ремонта. |
|
|
Угроза безукоризненной репутации Там, где сжатый воздух соприкасается с продукцией, загрязнение может существенно влиять на стабильность процесса, процент брака и конечное качество продукции. Кроме затрат нa исправление этой ситyации, нельзя недооценивать и потенциальный ущерб для репутации Вашей продукции. |
|
|
Деньги исчезают в воздухе При расчете потенциальных затрат на производство сжатого воздуха низкого качества часто забывают о трубопроводах, подающих сжатый воздух. Агрессивный конденсат вызывает коррозию, которая ведет к утечкам воздуха и дорогостоящим потерям энергии. Место утечки размером 3 мм чревато потерей приблизительно 3,7 кВт. энергии. За год это может добавить к расходам до 1800 евро. |
|
|
Постоянное воздействие на окружающую среду Потери энергии, вызванные утечками и небезопасным удалением необработанного конденсата, будут вредно воздействовать на окружающую среду. He говоря уже о строгом законодательстве, которое налагает крупные штрафы за несоблюдение требований законов, нужно учитывать, что любые потери энергии отрицательно влияют на общий итог вашей деятельности. Забота об окружающей среде может быть выгодным делом! |
Оборудование для очистки и осушки сжатого воздуха - осушители Ceccato
Мы будем рады помочь Вам решить проблему очистки и осушки сжатого воздуха. Полный спектр оборудования CECCATO (и других ведущих производителей) позволит сделать это максимально эффективно и качественно. Вы легко сможете получить сжатый воздух с требуемыми параметрами.
Типовые решения для очистки и осушки сжатого воздуха
Условные обозначения
Сколько воды содержится в пневмосети?
1 кубический метр атмосферного воздуха при 25°С и 70% влажности содержит 16 грамм воды. Соответственно со сжатым воздухом, подаваемым в пневмосеть компрессором с производительностью 54 м3/мин (FAD) при давлении 7 бар, будет попадать 52 л воды в час. В случае, если температура окружающего воздуха будет 40°C, поступление воды увеличится до 115 л воды в час. Однако большая часть влаги может быть удалена из сжатого воздуха в случае применения соответствующего оборудования.
Для чего необходим осушитель сжатoгo воздуха, если он уже прошел через доохладитель?
В самом деле, температура сжатого воздуха на выходе из доохладителя на 10…15°С выше температуры окружающего воздуха. Однако влажность сжатого воздуха составляет 100% и даже незначительное понижение его температуры приведет к выпадению конденсата. Температура, при которой начинает конденсироваться влага, называется точкой росы (PDP). С целью недопущения конденсации влаги в трубопроводах сжатый воздух должен быть охлажден до температуры ниже температуры окружающей среды. Другими словами, точка росы должна быть ниже температуры окружающей среды. В большинстве случаев точка росы сжатого воздуха может быть снижена средством осушителя рефрижераторного типа. Однако для получения более низкой точки росы необходимо применение адсорбционного осушителя.
Информация из официального каталога Атлас Копко
Атмосферный воздух – смесь газов, не вступающих в реакцию при обычных условиях. В основном это азот и кислород. Поэтому все свойства, характерные для кислорода и азота, присущи и воздуху.
Азот – это газ, близкий по своему воздействию к нейтральным газам, и не требует применения каких-то защитных мер или специальных материалов для объектов, контактирующих с ним. Однако он оказывает неблагоприятное воздействие на человека, длительно пребывающего в среде с повышенным содержанием азота.
Кислород, наоборот, активный окислитель. Поэтому конструкция машин и аппаратов для этого газа должна учитывать корозийность, особенно влажного воздуха, возможность возгорания горючих материалов в среде воздуха, возможность самовоспламенения и взрыва в газовых коммуникациях при наличии отложений нагара, паров или капель масла (свыше 100 атм.).
Воздух растворяется в смазочных маслах, способствует их преждевременному окислению, коксованию, понижению температуры вспышки.
Воздействие на человека
При понижении давления до 140 мм Нg появляются признаки кислородного голодания, а при 110 мм Нg – гипоксия, до 50 – 60мм – уже опасно для жизни.
Увеличение парциального давления N2 в воздухе вызывает наркотические действия.
Высокая концентрация СО2 вызывает асфиксию , а при
14 – 15% его наступает смерть. В жилых помещениях содержание углекислого газа не должно быть выше 0,1%.
4.2 Значение воздуха в развитии человечества
4.2.1 Развитие технологий применения сжатого воздуха
Ещё 3000 лет назад дутьё воздуха мехами применялось для выплавки металлов и вентиляции шахт (есть др. египетские рисунки).
Герон Александрийский ввел понятие «пневматика» - использование сжатого воздуха.
В средние века начали применять привод мехов от водяного колеса.
В средине XVIII века изобретена паровая машина и сходный с ней поршневой компрессор, создавший давление до 0,2 МПа (2 атм).
В 1741г. Гелье построил примитивный вентилятор с вращающимися на оси лопатками – воздуходувку.
Затем появились пневмопочта, водолазный костюм, кессоны.
В начале XIX в. уже могли сжимать воздух до давления 0,5 – 0,6 МПа, и начали передавать его на расстоянии. Началось широкое применение сжатого воздуха в различных технических устройствах.
В 1845г. изобретена пневмомашина, а в 1872 г. – пневмотормоз.
В 1857г. появился пневмоинструмент – бурильный молоток – для прокладки тоннеля в Альпах.
Вскоре появились первые КС – в Париже N
=1470 кВт,
p
= 0,6 МПа, протяженностью сети до 48 км – обеспечения для фабрик и заводов. Позже довели мощность до 18500 кВт – с паровым приводом.
4.2.2 Назначение сжатого воздуха
Сегодня ни одно промышленное предприятие не может обойтись без применения сжатого воздуха, который является доступным и дешевым источником как сырьевым, так и энергетическим. Особенно широко сжатый воздух используется в промышленности и строительстве. Источниками сжатого воздуха служат как небольшие мобильные установки, так и крупные стационарные компрессорные станции, связанные с потребителями через сеть воздухопроводов, что в совокупности образует систему воздухоснабжения промышленного предприятия.
Системы воздухоснабжения предназначены для выработки сжатого воздуха требуемых параметров и бесперебойного обеспечения им технологических нужд предприятия.
В зависимости от профиля предприятия, производства сжатый воздух сегодня используется для:
Осуществления основных технологических процессов (как компонент химической технологии, например, для получения кислорода и азота, для дутья в металлургии и т. п.);
Энергетического применения, связанного с использованием воздуха как окислителя при сжигании различных топлив или как теплоносителя для нагрева или охлаждения газов и жидкостей;
Как рабочее тело в двигателях ДВС, ГТУ;
Обеспечения работы пневмоинструмента и пневмоприводов, питания машин литейных и кузнечных производств, строительных машин и механизмов, выполнения обдувных, пескоструйных, покрасочных и других работ на производственных предприятиях различного профиля деятельности;
Обеспечение работы технологических комплексов и устройств (конвейеров, систем пневмотранспорта, буровых станков и т. п.);
Обеспечения работы пневматических систем, систем КИП и А и многое другое в технике.
Заметим, что на некоторых производствах, например на химических комбинатах, сжатый воздух для основных технологических процессов имеет параметры, отличные от параметров системы воздухоснабжения, и вырабатывается специальными компрессорами, входящими в состав оборудования технологических линий.
В курсе «Компрессорные станции» рассматривается применение сжатого воздуха в качестве энергоносителя в различных производствах. Это его применение трудно переоценить. Но есть и другие применения. Наиболее значительные из них – использование воздуха в качестве реагентов в металлургии и химии, а также пневмотранспорте.
4.3 Применение сжатого воздуха в металлургии
Здесь воздух применяется в качестве реагента, содержащего О2. Главная функция – дутьё, т. е. подача сжатого воздуха в различные агрегаты – домны, мартены, конверторы. Это крайне необходимо для горения во всех металлургических процессах.
Обогащение руды – (1-й процесс) – повышение содержания железа или другого металла в руде и понижение вредных примесей. Один из способов обогащения – флотация.
Сжатый воздух продувают через пульпу. При пенной флотации частицы полезного минерала не смачиваются водой и поднимаются вместе с пузырьками воздуха, а другие смачиваются и оседают на дно – это пустая порода (рис. 4.4).
Широко используется для обогащения руд цветных металлов (% низкий), но и для железа тоже.
Агломерация" href="/text/category/aglomeratciya/" rel="bookmark">агломерационной машине (рис. 4.5).
Кокс начинает гореть, руда разогревается и превращается в прочную пористую массу – «слипается» – это и есть агломерат, что позволяет потом в домне осуществить более эффективный процесс выплавки чугуна.
Рисунок 4.5 – Схема агломерации
Доменный процесс (рис. 4.6). Железо в руде находится в виде окислов. Поэтому нужно освободить железо от связанного с ним О2 – восстановление.
Рисунок 4.6 – Доменный процесс
Кислород, содержащийся во вдуваемом в печь горячем воздухе, взаимодействует с углеродом кокса, образуя СО2. Он поднимается выше, взаимодействует с коксом, образуя СО, она отбирает у окислов железа руды кислород и связывает его. А освободившееся железо взаимодействует с углеродом, образуя чугун. На 1т чугуна необходимо 2500 – 3500 м3 воздуха, т. е. V =8000 м3/мин. Чтобы воздух не охлаждал печь, его предварительно подогревают до 1100 – 1300ºC в кауперах.
Насадку греют, сжигая топливо. Затем подачу топлива прекращают и прокачивают воздух. Чтобы процесс подачи был непрерывный, устанавливают несколько кауперов. Заметим, что в воздухе 4/5 азота, т. е. 80% энергии затрачивается впустую, т. к. для горения используется только 20% кислорода.
Очевидно, что выгоднее воздух обогащать кислородом. Но это стало возможным лишь в 30 – 40-х годах XX века с появлением мощных разделительных установок.
Конверторный способ варки стали (бессемеровский). Расплавленный жидкий чугун продувают сжатым воздухом, и содержащийся в нем О2 соединяется с углеродом, кремнием и марганцем (рис. 4.7 а). Этот процесс обратный доменному процессу – окислительный. Таким образом, связывают ненужные компоненты в окислы и удаляют.
При продувке воздухом углерод быстро выгорает и из чугуна образуется сталь. А Si и Mn при соединении с О2 выделяют тепло для поддержки реакции, т. е. конвертор – «печь без топлива» (Менделеев). Недостатки – насыщение стали азотом – хрупкость стали, склонность к старению. Оставались и вредные примеси S и P . Чугун для этого годился не всякий, а только с Si и Mn. Металлолом в конверторе нельзя переплавлять.
Поэтому лучше – мартеновский способ – для переработки чугуна и лома (рис. 4.8).
Здесь тепло для процесса плавления необходимо подводить за счет сжигания мазута, коксового газа, калашникового газа. Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах за счёт тепла, уходящих из печи продуктов сгорания. Нагреваются насадки. Аппараты периодического действия. Поэтому их ставят парами и переключают через 15 – 20 мин. Производительность мартена – 100 т стали в час. Этот способ более прогрессивный.
Казалось бы, в газовой индустрии нет ничего проще сжатого воздуха. Даже чтобы дать ему определение, не нужно напрягаться, вспоминая студенческие годы. Очевидно: это просто воздух, находящийся в условиях повышенного давления.
Однако каждый ли сможет в двух словах ответить, для чего нужен сжатый воздух?
Разумеется, областей применения можно назвать множество. И это неудивительно, ведь работа сжатого воздуха встречается практически повсюду, достаточно увидеть на улице отбойный молоток. Да и статистика утверждает, что в странах Европы около 10 % электроэнергии расходуется промышленностью на производство сжатого воздуха. Это соответствует 80 тераватт-часов в год. Таковы, во всяком случае, данные «Википедии».
Все это верно. Но это все же не ответ на вопрос «для чего?».
Между тем он, такой простой ответ, существует. Сжатый воздух в огромном количестве случаев служит человечеству для того, чтобы передавать механическую энергию. А еще, чтобы служить ее хранилищем. Ведь запасти, допустим, электричество не так-то просто. А механическую энергию сохранить относительно нетрудно. Достаточно лишь хорошенько заполнить газовый баллон.
Таким образом, выражаясь словами все той же «Википедии»: «По своей роли в экономике сжатый воздух находится в одном ряду с электроэнергией, природным газом и водой. Но единица энергии, запасенная в сжатом воздухе, стоит дороже, чем энергия, запасенная в любом из трех указанных ресурсов».
Примеров такого «энерго-механического» применения очень и очень много. Так, сжатый воздух используется для работы любого пневмопривода (т.е. все в том же отбойном молотке). Также он необходим для различных транспортных систем: и тех, что движутся сами, и для механизмов, перемещающих при помощи воздуха, скажем, сыпучие грузы.
Можно назвать и гораздо более экзотические примеры использования сжатого воздуха. Так, он применяется для морских и речных сейсмических исследований: в качестве средства разведки полезных ископаемых. Для этого необходим пневмоизлучатель, то есть генератор колебаний, создаваемых за счет его энергии. Спектр излучаемого сигнала зависит, в частности, от режима истечения сжатого воздуха. А по характеру волн, отраженных или преломленных земной корой, судят о ее геологических свойствах.
Казалось бы, совершенно новая область! Но если вдуматься, то же самое – передача энергии, просто в другой среде.
Существуют, тем не менее, и другие области применения сжатого воздуха. Самый очевидный из них – использование для дыхания. Например, он абсолютно необходим при дайвинге, то есть подводном плавании с аквалангом.
Важный вопрос, о котором обязательно стоит поговорить в связи со сжатым воздухом, – это его качество.
Если вдуматься, вопрос абсолютно логичный. Люди заботятся о качестве того воздуха, которым им приходится дышать. Вполне естественно предположить, что машинам и механизмам чистый воздух тоже «нравится» больше.
Между тем загрязнители в сжатый воздух, естественно, попадают. Во-первых, далеко не всегда у компрессоров, которые его «делают», есть система подготовки на входе. Соответственно, «в сырье» содержатся влага и механические примеси: пыль, различные частицы и т.д.
Мало того, компрессор, как правило, тоже не стерилен. Во многих таких агрегатах в больших количествах присутствует, например, масло. Соответственно, его частицы тоже попадают в сжатый воздух.
Это далеко не всегда безобидный процесс. Влага, содержащаяся в сжатом воздухе, способна серьезно вредить тем механизмам, в которых он затем используется. Самый простой пример такого процесса – это обычная коррозия.
То же относится и к механическим частицам. Попадая в трущиеся части механизмов, они сильно увеличивают их износ и ухудшают эксплуатационные характеристики.
Да и масло, проникшее в сжатый воздух, не несет в себе ничего хорошего. Бытующее мнение, что благодаря этому механизмы нужно меньше смазывать, по словам многих специалистов, ошибочно. Так как данное масло зачастую подвергается воздействию высоких температур и других неблагоприятных факторов, в нем появляются продукты разложения. Так что рассматривать его как смазочное вещество уже нельзя.
К тому же масло взаимодействует с влагой, попадающей из того же сжатого воздуха. В итоге оно само начинает способствовать коррозии. Мало того, образуются твердые осадки, вредные для любого механизма.
Словом, низкое качество (недостаточная чистота) сжатого воздуха способно повысить износ агрегатов, где он используется, и потребовать более частых его остановок для прочистки. В итоге все это серьезно увеличивает эксплуатационные издержки использующего его предприятия.
Именно требованиями к чистоте получаемого сжатого воздуха во многих случаях определяется выбор компрессора, который используется для его изготовления. Однако есть и другие факторы, влияющие на этот процесс. Важно, в каких условиях и в какой отрасли будет работать компрессор.
Существует великое множество видов различных компрессоров.
Разобрать все их в рамках одной статьи почти невозможно. Поэтому мы остановимся лишь на основных.
Наиболее интуитивно понятную схему представляет собой поршневой компрессор. Вращающийся двигатель (например, электрический), благодаря стандартной системе механизмов (скажем, через шатуны), генерирует возвратно-поступательное движение поршней. По существу, это «двигатель внутреннего сгорания наоборот». В цилиндрах воздух сжимается, а затем «изымается» через специальные клапаны.
Поршневые компрессоры бывают как стационарными, так и передвижными. Сфера их применения огромна. Так, они часто используются на пневмонагнетателях в процессе приготовления и подачи цементно-песчаных растворов и бетона. А в целом подобные агрегаты, как правило, предназначены для получения сжатого воздуха для технических нужд в различных отраслях хозяйственной деятельности.
Однако такие компрессоры малопригодны для работ при производстве газа (в частности, для получения азота и кислорода). Во-первых, они не очень подходят для длительной, а тем более непрерывной работы. Во-вторых, их износостойкость также, что называется, оставляет желать лучшего. И в-третьих, они вынуждены использовать очень много масла. Следствием становится низкое качество получаемого сжатого воздуха.
Поэтому для работы в составе кислородных и азотных линий часто выбирают так называемые винтовые компрессоры. В подобных устройствах воздух попадает в камеру сжатия, объем которой при вращении роторов постепенно уменьшается.
Такие агрегаты также различаются в зависимости от использования в них масла.
Маслозаполненный винтовой компрессор имеет довольно высокий КПД и эксплуатационные характеристики. Но поскольку проблема загрязнения продукции маслом в них остается, нередко они оснащаются дополнительными устройствами, обеспечивающими на выходе нужную чистоту. Для этого используются фильтры сжатого воздуха, рефрижераторы (обычно они используются для осушения, но некоторые устройства вместе с влагой удаляют и часть масла) и даже угольные адсорберы. По мнению некоторых специалистов, этого достаточно для решения довольно широкого круга задач.
В воздухе, вырабатываемом безмасляным винтовым компрессором, масло отсутствует. Поэтому в некоторых областях такое решение находит достойное применение. Однако за это приходится платить. Безмасляные компрессоры значительно сложнее и приблизительно вдвое дороже. К тому же они гораздо менее неприхотливы.
Существует и множество других видов компрессоров. Например, мембранные – это компрессоры, предназначенные для сжатия различных сухих газов без загрязнения их маслом и продуктами износа трущихся частей. Такие агрегаты применяются там, где имеются особые требования к чистоте продукции: например, в научных исследованиях, но также и на некоторых предприятиях.
Отдельно необходимо сказать несколько слов о передвижных компрессорах.
Они применяются в невероятно широком спектре отраслей. Помимо уже упомянутых пневмонагнетателей и пневмоинструментов, они необходимы, например, для установок бестраншейной прокладки кабелей и трубопроводов, а также иных строительных устройств и механизмов.
Другим интересным примером являются передвижные компрессорные станции, используемые на аэродромах. Там они нужны для заправки сжатым воздухом систем самолетов. Аналогичные компрессоры, кстати, применяются для других специальных целей: очистки трубопроводов, заправки баллонов дыхательных аппаратов в пожарных частях, наполнения сжатым воздухом кабелей связи и т.д.
Словом, сжатый воздух совсем не так прост, как кажется. И выбор технологий часто определяется именно тем, каким он должен получиться.
-