Модернизация парка промышленных печей

Снижение энергоемкости ВВП является одним из приоритетов развития промышленного потенциала Республики Беларусь [1, 2]. Значительная доля энергозатрат отечественного машиностроения связана с печной термообработкой металла.
По результатам инвентаризации 2009 г. на белорусских предприятиях эксплуатируется около 1900 единиц нагревательного и термического оборудования. Из них 1600 в качестве источника энергии используют электроэнергию и лишь около 300 — природный газ. Среди электропечей приблизительно одинаковое количество может быть отнесено к камерным и к шахтным печам (по 43—45%), около 12% — к индукционным нагревателям и другому вспомогательному оборудованию. Средний срок эксплуатации электропечей составляет 31 год, газовых
печей — 39 лет, при этом средний коэффициент полезного действия последних — 10,5%.
Модернизация парка печного оборудования и повышение эффективности работы существующего, по нашему мнению, может проходить по трем основным направлениям. Первое — совершенствование режимов термической обработки металлов [3]. Второе — оптимизация производственного процесса. Согласно результатам энергетического обследования, даже для устаревшего печного оборудования увеличение его степени загрузки до номинальной позволяет существенно повысить энергетическую эффективность его работы (рис. 1).
Третье направление — создание новых, современных конструкций печного оборудования. Его, безусловно, можно закупать за рубежом, но цена на него может колебаться от десятков тысяч до нескольких миллионов долларов. Естественно, при таком уровне цен и таком количестве печей сложно говорить о замене их всех в течение даже 4—5 лет. Такой подход позволил бы, при наличии денежных средств, относительно быстро решить проблему. Но он направлен, прежде всего, на поддержку как зарубежных производителей, так и зарубежных исследовательских центров и компаний, занимающихся разработкой печного оборудования.
Поэтому целесообразнее развивать собственную базу по проектированию и производству печного оборудования, перенимая передовой опыт, и выполнять модернизацию существующего оборудования там, где это целесообразно. Выгоды такого подхода очевидны: обновляются технологии и оборудование заводов, существенные объемы финансовых средств остаются в стране, развиваются отечественные производственная и научно-исследовательские базы. Первый положительный опыт в этом направлении уже получен: созданы промышленные газопламенные печи, коэффициент полезного действия которых вплотную приблизился к планке в 50%.
Активно заниматься печной проблематикой в Республике Беларусь, в частности в Национальной академии наук, начали около пяти лет назад. За это время накоплен определенный опыт по созданию современных образцов печного оборудования. Так, в Институте тепло- и массообмена был создан экспериментальный стенд — газовая нагревательная печь с выкатным подом.
Стенд рассчитан на максимальную массу садки 300 кг и максимальную рабочую температуру 1300 °С. На печи были опробованы все современные технические решения, необходимые для повышения ее энергетической эффективности и качества нагрева: футеровка из легковесных волокнистых материалов, рассчитанных на рабочие температуры до 1430 °С; современные двухпроводные газогорелочные устройства, обладающие широким динамическим диапазоном (работа в диапазоне мощности 10—100% от номинальной), позволяющие работать с воздухом, подогретым до 450 °С; встроенная система розжига и контроля пламени; рекуперация тепла уходящих дымовых газов для подогрева воздуха, идущего на горение. Один из ключевых элементов новой печи — автоматическая система управления, обеспечивающая поддержание заданных тепловых режимов и существенно повышающая безопасность эксплуатации, полностью разработанная сотрудниками института.
Серьезным шагом в создании современного печного оборудования стала модернизация газовой камерной термической печи на Барановичском станкостроительном заводе ЗАО «Атлант» (рис. 2). Она эксплуатировалась более 20 лет, была рассчитана на массу садки 15 т и имела установленную мощность 2,3 МВт. Ее КПД составлял при этом 8—10%. Модернизация была выполнена на основе детальных теплофизических расчетов и проектных решений Института тепло- и массообмена. Особо хотелось бы отметить сложнейшую систему автоматического управления, применение которой позволило добиться высоких результатов по качеству и равномерности нагрева (рис. 3). После модернизации установленная тепловая мощность печи была снижена с 2300 до 700 кВт, электрическая — с 85 до 10 кВт, КПД при номинальной массе садки 15 т составил 46%. Удельный расход топлива уменьшился в 3—4 раза (в зависимости от режима). Совокупность заложенных при модернизации конструктивных решений позволяет печи выполнять термообработку садки массой до 25 т. Равномерность температурного поля в рабочей камере печи на протяжении всего процесса нагрева составляет ±5 °С, что на порядок превышает средние показатели эксплуатируемого в настоящее время оборудования. Приведенные параметры демонстрируют огромный потенциал энергосбережения, заложенный в вопросе модернизации печного парка.
Представление о «качестве» импортного оборудования, поставляемого на наш рынок, дает сравнение основных характеристик зарубежных и отечественных печей (табл.). Из него видно, что установленная тепловая мощность импортных аналогов в 3—4 раза выше, при этом белорусский образец справляется со всеми режимами работы. Почему возникает такая огромная разница? По-видимому, указанные фирмы пользовались при проектировании печей приближенными расчетами, основывались на идеологии «коэффициентов запаса». В нашем случае ключевые параметры определялись на основе детальных теплофизических расчетов. Платой за отсутствие необходимой информации на стадии проектирования, для получения которой и нужны научные исследования и разработки, становится многократное увеличение мощности.
Как указывалось выше, на предприятиях республики на одну эксплуатируемую газовую печь приходится более пяти электрических. Поэтому проблема модернизации печного парка будет неполной, если не уделять внимания электропечам сопротивления. Именно по этой причине Институт тепло- и массообмена в инициативном порядке начал разработку их экспериментальных образцов, в частности СНО 3,5.8.3/11 [4]. Печь рассчитана на массу садки 200 кг, максимальную температуру 1100 °С. Установленная мощность печи составляет 18 кВт, а объем рабочей камеры — 84 л. Здесь применены современные технические решения: комбинированные волокнистая футеровка и под,
нагреватели из современных сплавов сопротивления с высокими эксплуатационными характеристиками, двухканальная система управления. Отметим, что на экспериментальном образце удалось достичь очень высокой равномерности нагрева металла —
±1 °С. Энергетическая эффективность работы печи при
разогреве ее вместе с садкой из холодного состояния находится на уровне 40%, при загрузке садки в разогретую печь — порядка 50%.
Электрические печи сопротивления имеют как преимущества, так и недостатки. Среди последних — высокая стоимость электроэнергии и, соответственно, большие эксплуатационные расходы. Здесь уместно выполнить одно сравнение. Для нагрева металла применяют две основные технологии — газовые печи (перед ковкой, штамповкой) и индукционные нагреватели. КПД последних составляет примерно 80%. Оставляя за скобками все другие факторы, оценим, в каком случае эксплуатационные затраты на энергию будут одинаковы для нагрева металла в индукторе и в газопламенной печи. Предполагается, что нагревается не поверхностный слой, а весь объем металла. При этом примем стоимость электроэнергии равной
0,10 долл./кВт•ч = 300 руб./кВт•ч,
а стоимость природного газа равной
200 долл./тыс. м3 = 600 000 руб./тыс. м3.
Для нагрева 1 кг металла от комнатной температуры до температуры в 1250 °С необходимо затратить энергию (нетто):
Q = 1 кг Ч 700 Дж/(кг•К) Ч 1230°С ? 0,86 МДж.
Учитывая, что 1 кВт•ч = 3,6 МДж, получаем, что при эффективности в 80% затраты на нагрев металла в индукционном нагревателе составят:
Динд = 0,86 МДж Ч 300 руб./(3,6 МДж Ч 0,8) ? 90 руб./кг.
Для газового печного нагрева эксплуатационные затраты будут такими же, если печь работает с эффективностью
? = 0,86 МДж Ч 600 руб./нм3/(33,5 МДж/нм3 Ч Динд) ? 17%.
Если вести речь о нагреве даже в современных печах сопротивления, в которых КПД высок, но все же ниже, чем у индуктора, и составляет 40—60%, то эксплуатационные затраты на нагрев металла в газовых печах и в печах сопротивления будут одинаковы, если первые работают с эффективностью 9—13%. Качественно картина может стать другой только в том случае, если изменится соотношение цен на природный газ и электроэнергию в сторону удешевления последней. А это возможно только при переходе от генерации электроэнергии из газа на тепловых станциях на генерацию из других источников (например, атомной электростанции).
Несмотря на недостаток электропечей, связанный с высокой стоимостью электроэнергии, электропечи имеют целый ряд преимуществ перед газовыми. У них больше равномерность нагрева (в ряде технологий это критично), при сопоставимых производительностях ниже стоимость оборудования, меньше капитальные затраты на его установку, выше степень безопасности. Поскольку в промышленности республики востребованы как газовые, так и электрические печи, то необходимо развивать оба направления.
Актуальным остается вопрос о сроках окупаемости печного оборудования. Здесь все зависит от его типа и загрузки, поэтому однозначный ответ дать невозможно. Если принимать во внимание только экономию энергии, то, по нашим оценкам, при полной загрузке печи периодического действия она окупит себя через 3—4 года. Но, помимо сокращения прямых эксплуатационных расходов, существуют и косвенные факторы экономии: повышение качества продукции, повышение производительности и т.д. Иногда без нового оборудования невозможен выпуск определенной продукции. Мы полагаем, что с учетом указанных факторов срок окупаемости может составить 2—2,5 года.
Описанные примеры создания отдельных энергоэффективных образцов печного оборудования не решают проблемы в масштабах республики, а только намечают вектор, в направлении которого необходимо двигаться. Какие же действия должны предприниматься? В 2009 г. была проведена масштабная инвентаризация печного парка республики. Специалистами Института тепло- и массообмена были подробно проанализированы данные инвентаризации, прежде всего с точки зрения номенклатуры используемого печного оборудования. Подходы, использованные при этом, мы проиллюстрируем на примере камерных электропечей сопротивления. Так, если взглянуть на их распределение по максимальным рабочим температурам, можно видеть, что 2/3 всех камерных печей рассчитаны на работу при температурах 800—1100 °С (рис. 4). Если теперь распределить печи с указанными рабочими температурами по размерам, то достаточно четко выделяется несколько групп наиболее распространенных типоразмеров — объем камеры 30—50, 75—100 и 300 л. Именно они были выбраны в качестве прототипов для создания их современных аналогов.
В результате анализа было определено 9 групп печей (3 газовые и 6 электропечей сопротивления), наиболее распространенных в белорусской промышленности, для которых актуально создание энергоэффективных опытных образцов с целью дальнейшего их выпуска и модернизации. Эти предложения вошли в основу Плана разработки опытных образцов энергоэффективного печного оборудования на 2010—2012 гг., утвержденного в июне 2010 г. первым заместителем Премьер-министра Республики Беларусь В.И. Семашко. Отметим, что, поскольку в республике не накоплено еще достаточно опыта в части создания сложных печных агрегатов, решено разрабатывать наиболее простые и распространенные типы, которые принесут большой суммарный эффект в экономии энергии и модернизации производства. Сложное оборудование, которое не так широко применяется на заводах, необходимо закупать у лучших зарубежных поставщиков, одновременно перенимая опыт их создания. В дальнейшем возможно изготовление таких агрегатов в нашей стране.
Представленный план разработки энергоэффективных образцов печного парка является технологической основой раздела «Термическое оборудование» Программы переоснащения и модернизации литейных, термических и гальванических производств Республики Беларусь на 2011—2015 гг., утвержденной постановлением Совета Министров Республики Беларусь №882 от 09.06.2010 г. Программой предусмотрена замена и модернизация в ближайшей пятилетке почти 300 единиц нагревательного и термического оборудования с объемами капиталовложений около 90 млн долл.
В заключение отметим, что решение означенных в статье проблем и задач позволит создать базу для отечественного производства печного оборудования. У авторов есть твердая уверенность в том, что данная проблема по силам белорусской промышленности и науке.