Технология использования сжатых газов (стр. 12 )

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%.

Оптимальная относительная влажность 40 – 60%.

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.

Далее – пневмотранспорт, пневмопривод, воздухоразделительные установки и др.

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.

Рисунок 4.4 – Схема обогащения руды

Агломерация – окомкование мелких и пылевидных руд методом спекания на 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.

а	б
Рисунок 4.7 – Схемы бессемеровского (а) и кислородно-конвертерного процессов (б)

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.

Кислородно-конвертерный процесс – аналогичен бессемеровскому (рис. 4.7 б). Отличие в том, что кислород подается не через дно, а сверху и под высоким давлением
(0,9 – 1,4 МПа). Кислород внедряется в сталь, окисляет Si и Mn с выделением тепла. Температура поднимается до 1400 – 1450ºC. Затем происходит окисление углерода – он выгорает (до 2%), температура достигает 1600ºC, поэтому и лом можно добавлять, тепла хватает. Производительность 400 – 500 т/час.

Рисунок 4.8 – Схема мартеновского способа

Во всех этих процессах необходимы компрессорные станции с высокопроизводительными осевыми и центробежными компрессорами, станции разделения воздуха. Некоторые из компрессорных машин представлены на рис. 4.9 и 4.10.

Рисунок 4.9 – Общий вид агрегата с компрессором типа К3250-41-2 для подачи в доменную печь атмосферного или атмосферного, обогащенного кислородом воздуха