Штокман Е.А. Вентиляция, кондиционирование и очистка воздуха на предприятиях пищевой промышленности
Подождите немного. Документ загружается.
— теплота отходящих газов и жидкостей (сюда относятся теплота дымовых газов, отходящих из котельных и печей, а также теплота, содержащаяся в
воде, в барде спиртовых заводов и т. д.);
— теплота отработанного пара паросиловых установок и вторичного пара теплоиспользующих установок (выпарные установки, ректификационные
аппараты, сушилки, пары самоиспарения);
— теплота горючих отходов (эта
теплота может быть реализована при сжигании отходов; например, лузга на маслоэкстракционных заводах
используется в качестве топлива в паровых котлах);
— теплота, содержащаяся в продуктах и отходах производства (к этой группе относится теплота, содержащаяся в шлаках котельных, горячем жоме
сахарных заводов, горячем хлебе, сахаре и т. д.; к этой группе можно также
отнести нагретый воздух, удаляемый из горячих цехов).
Наибольшее значение имеют первые две группы источников ВЭР. Использование теплоты вторичных энергетических ресурсов ведется по трем
направлениям:
— для процессов, протекающих в основных технологических установках внутри цеха или предприятия (замкнутые схемы);
— для внешних целей, не связанных с процессами, протекающими в основных технологических установках, которые
являются источниками ВЭР,
например использование вторичных тепловых ресурсов для отопления и горячего водоснабжения гражданских зданий (разомкнутые схемы);
— для внутренних и внешних целей по отношению к процессу в технологической установке (комбинированные схемы).
Источники вторичных энергоресурсов существуют в каждой отрасли пищевой промышленности. Они имеют различный качественный
(температурный уровень, свойства теплоносителя) и
количественный состав.
Сахарное производство является наиболее энергоемким. Основными составными частями ВЭР являются теплота утфельного пара из вакуум-
аппаратов, паров самоиспарения (деаэратора котельной, сатураторов и сульфитаторов, сборников конденсатов и технологических растворов),
отходящих газов из котлов, конденсатов, барометрической воды, продувной воды котлов, жомопрессовой воды, энтальпии жома, нагретый воздух
производственных помещений.
В спиртовом производстве
в качестве вторичных тепловых ресурсов применяется теплота барды из бражной колонны, вторичной барды, продуктов
производства (спирт, сивушное масло, дрожжи, эфироальде-
гидная фракция и др.), теплота конденсаторов, дефлегматорной воды, вторичного пара и сушилок дрожжей, лютерной воды, охлаждающей воды из
конденсаторов и холодильников, нагретого воздуха производственных помещений, отходящих газов из котлов, продувочной
воды.
Спиртовые заводы, оборудованные установками упаривания вторичной барды, дополнительно в качестве вторичных энергетических ресурсов имеют
теплоту вторичного пара, конденсата выпарных аппаратов, барометрической воды из конденсатора.
ВЭР пивоваренного производства включают в себя теплоту вторичного пара варочных котлов, конденсаторов, охлаждающей воды, отходящих газов
сушилок и котельной.
В хлебопекарном, кондитерском и крахмалопаточном производствах элементами ВЭР является теплота конденсатов, вторичного пара вакуум-
аппаратов, змеевиковых колонок, барометрической воды, вторичного пара выпарных установок, продуктов производства, отходящих газов печей,
сушилок и котельной.
Вторичными
тепловыми энергоресурсами масложирового производства являются теплота конденсатов и охлаждающей воды, продуктов
производства, теплота при сжигании отходов, теплота отходящих газов сушилок и котельной.
В консервном производстве вторичные тепловые энергоресурсы включают в себя теплоту вторичного пара выпарных установок и вакуум-аппаратов,
барометрической и охлаждающей воды, конденсатов, полуфабрикатов и готовой продукции, теплоту отходящих
газов сушилок и котельной.
В области внедрения энергосберегающих технологий имеются крупные резервы, так как наряду с установками, работающими с коэффициентом
полезного действия 90% и выше, действует большое количество тепловых установок с низким КПД, в ряде случаев не превышающим 30%.
Эффективность использования теплоты в большинстве технологических процессов пищевой промышленности можно значительно повысить, причем
капиталовложений
для этого потребуется существенно меньше в сравнении с необходимыми для добычи эквивалентного количества топлива.
Отечественный и зарубежный опыт показывает, что стоимость энергии, сэкономленной в результате реконструкции, в 3-5 раз дешевле энергии,
получаемой при строительстве новых установок аналогичной производительности.
Наиболее подробно вопросы использования вторичных энергетических ресурсов и рациональные тепловые схемы ряда отраслей
пищевой
промышленности (сахарной, спиртовой, пивоваренной, хлебопекарной, кондитерской, крахмалопаточной, масложировой и консервной)
рассматриваются в монографии [72].
В качестве примера значительного повышения эффективности использования тепловой энергии могут служить разработки авторов, приведенные ниже.
23.2.2. Использование теплоты продуктов сгорания в пищевой промышленности
Использование теплоты продуктов сгорания природного газа рассмотрим на примере хлебопекарного производства. По количеству топлива, сжигаемого
в топках печей, хлебопекарное производство занимает ведущее место в пищевой промышленности. В среднем для выпечки 1 т хлеба необходимо 50-65
кг условного топлива. Из этого количества топлива полезно используется только 30-32%. С продуктами сгорания в атмосферу уносится от 30%
до 60%
всей теплоты [72]. Температура отходящих запечных газов в печах с нагревательными трубами — от 500 до 700 °С, хотя температурный напор от газов
к пекарной камере обеспечивается при температуре продуктов сгорания 350 °С.
В то же время наряду с большими тепловыми потерями хлебопекарному производству требуется большое количество горячей воды на технологические
и санитарно-технические нужды. Таким образом, использование теплоты отходящих газов хлебопекарных печей с нагревательными трубами следует
считать недостаточным.
Теплоту уходящих газов можно использовать для нагрева воздуха перед подачей его в топку печи, что наряду с экономией топлива улучшает условия
горения. Повышение температуры подогреваемого воздуха на 1 °С вызывает такое же понижение температуры дымовых газов.
При высокой температуре запечных газов (выше 350 °С) рекомендуется последовательное (ступенчатое) их использование: вначале газы нагревают
воду (до 80 °С), охлаждаясь до 350 °С, а затем направляются в воздухоподогреватель, где температура их понижается до 200 °С. В дальнейшем
уходящие газы можно использовать в контактном теплообменнике для нагрева воды. Такое глубокое охлаждение запечных газов позволит резко
повысить коэффициент использования теплоты топлива.
Предлагается четырехступенчатая установка комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа (
см. рис. 23.8) [73].
Природный газ сжигается в хлебопекарной печи с нагревательными трубами 1 (I ступень). Продукты сгорания после печи с температу-
Рис. 23.8. Схема комплексного использования теплоты природного газа от хлебопекарных печей.
рой 500 °С поступают в двухступенчатый многокорпусный утилизатор 2 (II ступень), который служит для нагрева воды. Конструкция утилизатора
разработана Н. В. Морозовым [72]. В данном теплообменнике температура запечных газов снижается до 350-360 °С. С этой температурой газы
поступают в воздухоподогреватель 3 (III ступень), где происходит нагрев воздуха, подаваемого на горение в печь. Воздух нагревается до 150 °С, а
температура удаляемых газов снижается до 200-210 °С. Для нагрева воздуха и воды можно также применить модульный подогреватель конструкции
Ростовского инженерно-строительного института [74]. Перед выбросом в атмосферу продукты сгорания поступают в контактный теплоутилизатор с
промежуточным
теплообменником типа АЭ (IV ступень).
Теплоутилизаторы АЭ по сравнению с ЭК-БМ-1 обладают рядом преимуществ: значительно расширена область применения нагретой воды, квадратная
форма поперечного сечения обеспечивает лучшую компоновку с основным топливопотребляющим оборудованием; теплоутилизатор АЭ имеет
встроенный насадочный декарбонизатор воды. После теплообменника газы удаляют вентилятором 5 через дымовую трубу 6. В теплоутилизаторе
нагревается вода,
предназначенная для технологических и хозяйственно-бытовых нужд. В водонагревателе образуются два независимых друг от друга
потока воды: чистой, подогреваемой через поверхность (до 50 °С), и воды, которая нагревается в результате непосредственного контакта с уходящими
дымовыми газами. Чистый поток воды протекает внутри трубок и отделен стенками трубок от загрязненной орошающей воды.
Коэффициент использования теплоты в предлагаемой схеме достигает 95%.
23.2.3. Комплексное использование газа для сушки сельскохозяйственной продукции
Одной из крупных проблем пищевой промышленности является сушка продукции. На сушку сельскохозяйственных продуктов ежегодно расходуется
значительное количество природного газа.
В зависимости от климатических условий сушится от 20% до 50% зерна и бобовых, все масличные культуры, чай, табак.
Повысить эффективность использования и улучшить качество сжигания природного газа можно путем сочетания работы сушильных установок
с
работой котельных агрегатов. В этом случае котельные установки могут не включать дорогостоящие поверхности нагрева, а в сушилках не будет
расходоваться природный газ.
Ниже приводится описание схемы использования продуктов сгорания для сушки семян подсолнечника на масложировом комбинате [75].
На комбинате, как и на ряде других предприятий пищевой промышленности, сушка семян подсолнечника осуществляется
в барабанных сушилках,
оборудованных индивидуальными газовыми топками. На внутренней стороне барабана укреплены различного вида насадки, способствующие
рациональному перемешиванию высушиваемого продукта вдоль сушилки — некоторому торможению или ускорению его движения в зависимости от
режима сушки. В качестве сушильного агента служит газовая смесь, состоящая из продуктов сгорания природного газа и воздуха. В случае
повышенных требований к качеству высушиваемого материала котельные агрегаты оборудуются дожи-гательными насадками, установками очистки
уходящих газов от оксидов азота или в качестве сушильного агента используется воздух, нагреваемый в специальных теплообменниках.
В зависимости от режима сушки и параметров агента внутренний объем сушилки заполняется на 20-25%. Во избежание уноса мелких частиц скорость
движения газовой
смеси не должна превышать 1,0-1,5 м/с. Процесс сушки в зависимости от первоначальной влажности семян может осуществляться
при температурах 250 и 320 °С.
Осуществление процесса сушки при сравнительно низкой температуре вызывает необходимость сильного разбавления продуктов сгорания воздухом.
Так, сушильный агент с температурой 250-320 °С получают путем разбавления продуктов сгорания природного газа пяти-, семикратным объемом
воздуха. В результате потери теплоты с уходящими газами резко возрастают и достигают в ряде случаев 40-50%.
Для того чтобы повысить качество сжигания
природного газа и понизить температуру уходящих газов, предложено сочетать работу сушильных
установок с работой паровых котлов, установленных в расположенной рядом котельной.
В этом случае рекомендуется следующая схема (рис. 23.9).
Природный газ сжигается в паровых котлах 1. Продукты сгорания при температуре 350-400 °С поступают в газоходы и направляются в барабанные
сушильные установки 2. Для регулирования
температуры сушки барабанные сушилки имеют специальный клапан для подсоса воздуха. Отработанные
продукты сгорания после очистки в циклоне 3 вентилятором 4 удаляются в атмосферу. При отключении сушильных установок уходящие газы
направляются в дымовую трубу 5.
Рис. 23.9. Установка комплексного использования теплоты на масложировом комбинате.
Другим примером комплексного использования теплоты в масло-жировой промышленности может служить следующая схема.
Установка предназначена для применения теплоты продуктов сгорания, полученных при совместном сжигании природного газа и подсолнечной лузги
(рис. 23.10) [76].
Природный газ сжигается совместно с подсолнечной лузгой в циклонной топке 1. Продукты сгорания с температурой 1100-1200 °С из топки поступают
в паровой котел 2, а затем с температурой 400-450 °С — в барабанные сушильные установки для сушки подсолнечных семян 3.
Контактные подогреватели в этой схеме обычно не предусматриваются, так как продукты сгорания после барабанных сушилок сильно загрязнены
подсолнечной лузгой.
Применение комплексной установки использования теплоты продуктов совместного сгорания природного газа и подсолнечной лузги на предприятиях
масложировой промышленности позволяет значительно повысить коэффициент использования топлива по сравнению с существующими
теплоиспользующими агрегатами, предназначенными для выполнения аналогичных технологических процессов. В предлагаемой комплексной схеме
коэффициент использования топлива составит 83-85%.
Внедрение установок комплексного использования теплоты
и рациональное применение в качестве топлива подсолнечной лузги, которая не
предназначена для дальнейшей переработки в полезную продукцию, позволяют повысить рентабельность производства, уменьшить долю получаемого
со стороны топлива.
Кроме того, исключается необходимость вывоза отходов производства.
23.2.4. Использование продуктов сгорания природного газа в тепличном хозяйстве предприятий
Использование вторичных энергетических ресурсов для отопления тепличных хозяйств предприятий пищевой промышленности — одно из
перспективных направлений. Необходимость исследований в этой области обусловлена тем, что капитальные затраты на системы отопления и
вентиляции составляют 30-50% от сметной стоимости тепличного хозяйства. Отсутствие разработок и нормативных документов, учитывающих
особенности проектирования теплиц на территории предприятий, приводит к
удорожанию их конструкций и увеличению эксплуатационных затрат на
отопление.
Рис. 23.10. Схема комплексного использования теплоты в масложировой промышленности: 1 — циклонная топка; 2 — паровой котел; 3 — барабанные
сушильные установки; 4 — вентиляторы; 5 — газоходы; 6 — дутьевой вентилятор; 7 — воздуховоды.
В нашей стране и за рубежом имеется опыт применения ВЭР для обогрева культивационных сооружений. Для этой цели используют геотермальные
источники, сбросную воду тепловых и атомных электростанций, теплоту продуктов сгорания газокомпрессорных
станций.
Для теплиц, располагаемых на территории промышленных предприятий, могут быть использованы отходящие газы от технологического оборудования
(нагревательных печей, сушилок и т. д.) и котельных агрегатов, а также горячая вода или пар от технологического оборудования. Горячую воду,
имеющую высокую температуру, используют в традиционных системах водяного отопления теплиц, низкотемпературную воду — в контактных
аппаратах для нагрева и увлажнения воздуха, подаваемого в теплицу.
Довольно часто теплота продуктов сгорания после хвостовых поверхностей котельных агрегатов не применяется из-за низкого потенциала и теряется,
снижая общий коэффициент полезного действия котельной. В то же время затраты на отопление теплиц составляют до 60% себестоимости
выращиваемой в них продукции, поэтому освоение указанных ВЭР позволяет значительно снизить эксплуатационные расходы.
Большой интерес представляет также использование диоксида углерода (углекислого газа), содержащегося в продуктах сгорания, для подкормки
тепличных культур. Первый положительный опыт использования диоксида углерода для подкормки растений был получен еще в начале нашего века
(Демусси, 1903). Но его практическое применение стало возможным лишь после детальных исследований, определивших физиологическую сущность
данного агроприема и способы наиболее эффективного использования углекислого газа.
Применение технических источников углекислого газа позволило автоматизировать процесс подкормки углекислотой и управлять им в течение всего
вегетационного периода растений.
К настоящему времени устарел способ подкормки с помощью сухого льда (высокие трудовые затраты, незначительное производство сухого льда).
Применение сжиженной углекислоты резко ограничено теми же причинами, а также высокими транспортными расходами. Использование керамических
газовых горелок инфракрасного излучения, основное назначение которых — обогрев воздуха, также неперспективно из-за опасности перегревов в
весенне-летний период
и генерирования углекислого газа в ночное время.
Наибольшее распространение получил способ подкормки углекислым газом, получаемым при пламенном горении газообразного топ лива (при сгорании
жидкого либо твердого топлива образуется много токсичных примесей).
Наиболее действенным источником углекислого газа в теплицах при наличии газовой котельной являются продукты сгорания природного газа,
содержание С0
2
в которых составляет обычно 4-8% в зависимости от режима работы котла.
Работы по исследованию возможности полного удовлетворения потребности тепличных культур в углекислом газе путем использования продуктов
сгорания природного газа, отходящих от котельной, описаны в [77].
Следовательно, применение продуктов сгорания природного газа в тепличном хозяйстве позволяет одновременно решать две задачи — повышение
урожайности и
увеличение экономичности работы тепло-агрегатов.
В Государственной академии нефти и газа (ГАНГ) им. И. М. Губкина разработаны комплексные схемы использования продуктов сгорания в теплицах,
позволяющие решать указанные задачи на основе применения контактных экономайзеров.
Продукты сгорания, отводимые от котлоагрегатов, подаются в контактный экономайзер (рис. 23.11). Охлажденные чистые продукты сгорания из
экономайзера, смешанные в
необходимой пропорции с атмосферным воздухом, нагнетаются дымососом в теплицу, обеспечивая углекислотную
подкормку растений, что приводит в конечном итоге к повышению урожайности тепличных культур. Система распределения продуктов сгорания по
теплице состоит из магистрального трубопровода, к которому присоединены перфорированные полихлорвиниловые рукава. Теплота, отданная
продуктами сгорания в контактном экономайзере, расходуется на нагрев воды
до температуры 42-55 °С. Эта вода по своим энергетическим параметрам
может быть использована в системе подпочвенного обогрева теплицы. При этом система обогрева должна быть выполнена из пластмассовых труб
вследствие повышенной активности углекислотосодержащей воды. Основным предназначением воды из контактного экономайзера является ее
использование для полива тепличных культур, что дает дополнительный прирост урожайности за
счет содержания в воде растворенного углекислого
газа.
Вода для полива растений должна иметь температуру 22-25 °С. Максимальный расход поливной воды составляет около 17 т/ч для площади 1 га в
летнее время (июнь-август) для томатов. Для охлаждения воды из контактного экономайзера до требуемой величины ее
Рис. 23.11. Комплексная схема использования продуктов сгорания природного газа в тепличном хозяйстве: 1 — контактный экономайзер; 2 — бак-
аккумулятор; 3 — теплица; 4 — дымосос; 5 — насос; 6 — расходомер; 7 — манометр; 8 — регулировочный вентиль.
следует разбавлять водопроводной. Если принять следующие данные: температура воды из контактного экономайзера — 50 °С, температура
водопроводной воды — 15 °С, температура поливной воды — 25 °С, расход поливной воды — 17 т/ч, то для
осуществления процесса полива с заданной
температурой требуется на 1 га 5 т/ч нагретой воды из контактного экономайзера.
На основании агротехнических норм потребность в чистой углекислоте на 1 га теплиц составляет 100 м
3
/ч. Если принять среднее содержание С0
2
в
продуктах сгорания, отводимых от котлоагрегатов, равным 6%, то общая потребность в дымовых газах для осуществления углекислотной подкормки на
площади 1 га составит 1880 м
3
/ч, т. е. объем продуктов сгорания от котлоагрегатов оказывается достаточным для подкормки растений в помещениях
блока теплиц.
На рис. 23.12 представлена модификация рассмотренной выше схемы, отличающаяся от нее наличием декарбонизаторной колонки, позволяющей
освободить нагретую в экономайзере воду от углекислого газа. Вода после колонки, уже не обладающая коррозийной активностью, может быть
использована
в системе теплоснабжения и для других технологических нужд, причем подачу ее можно осуществлять по стальным трубопроводам.
Проходящий через насадку декарбонизаторной колонки воздух насыщается углекислым газом и подается в культивационные помещения теплиц через
систему углекислотной подкормки.
Проведенные анализы состава продуктов сгорания за котлами не обнаружили наличия СО, а содержание NO
x
в объеме теплицы не превышало 5 мг/м
3
.
Вместе с тем указанное обстоятельство не устраняет необходимости установки в культивационных помещениях газоанализаторов.
В некоторых случаях возможно появление в продуктах сгорания оксида углерода в количествах, превышающих допустимые. Тогда необходима
установка в хвостовой части котлоагрегатов дожигатель-ных насадок, позволяющих устранить содержание СО и бензапирена в продуктах сгорания и
существенно уменьшить содержание оксидов азота за счет снижения избытка воздуха в топке.
На промышленных предприятиях по разработкам
авторов [78, 79] внедрены системы отопления теплиц за счет использования теплоты уходящих газов.
Источником ВЭР на заводе являются две водогрейные и паровая котельные.
Предложенные почвенные теплицы имеют три системы водяного обогрева: кровельный обогрев, надпочвенный и подпочвенный (рис.
Рис. 23.12. Комплексная схема использования продуктов сгорания природного газа в тепличном хозяйстве с применением декарбонизации воды: 1 —
контактный экономайзер; 2 — бак-аккумулятор; 3 — теплица; 4 — дымосос; 5 — насос; б — расходомер; 7 — манометр; 8 — регулировочный вентиль;
9 — декарбонизаторная колонка; 10 — вентилятор.
23.13). Система надпочвенного обогрева (переносные и стационарные трубопроводы) включает в себя также боковой, торцевой и контурный обогревы.
Для систем бокового,
кровельного, торцевого и контурного обогрева в качестве теплоносителя принята вода с параметрами 95-70 °С, для систем
подпочвенного и надпочвенного обогрева — 40-30 °С. Системы отопления запроектированы с попутным движением теплоносителя.