1.1.4. Теплові схеми
На рис.1.7 наведена теплова схема високотемпературної теплотехнологічної установки з однокамерним однозонним робочим простором; джерело енергії — паливо; теплові відходи тут не використовуються. Прикладами таких установок є так звані печі прямого нагріву, ковальський горн, деякі конвертери. Вони відрізняються винятково низькими ККД паливовикористання, підвищеними тепловими і шкідливими технологічними викидами в довкілля.
Рисунок 1.7 – Найпростіша теплова схема високотемпературної теплотехнологічної установки.
В загальному випадку теплові відходи камери ОТО включають:
1) теплоту газів, що відходять;
2)
теплоту технологічної продукції і
супутніх технологічних відходів при
Т*
;
3) тепловий потік через огородження камери.
При аналізі теплотехнологічних процесів, ефективна реалізація яких можлива тільки при тиску робочого тіла або теплоносія, що перевищує атмосферне, замість теплових відходів в загальному випадку слід розглядати енергетичні відходи.
На рис.1.8 наведена класифікація теплових схем, установок з паливним джерелом енергії, в основі якої лежить спрямоване використання відходів теплоти камери ОТО (або камер ОТО і ТД) і особливостей підключення до неї елементів (установок) зовнішнього тепловикористання.
Установки без зовнішнього тепловикористання можуть мати високий ККД паливовикористання тільки при глибокій регенерації теплоти. Це досягається через організацію на основі теплових відходів нагріву первинних матеріалів, компонентів горіння, ендотермічної обробки палива (хімічна регенерація).
В установках з зовнішнім замикаючим тепловикористанням недовикористані після регенерації відходи теплоти спрямовуються на виробництво іншої технологічної чи енергетичної продукції. Таке тепловикористання безпосередньо не вирішує будь-яких технологічних задач даної теплотехнологічної установки (тому називається зовнішнім), але може виступати як засіб економії палива в суміжних (по додатковій продукції) установках.
Прикладом теплових схем високотемпературних теплотехнологічних установок з прибудованими елементами установок зовнішнього тепловикористання є традиційні промислові печі, що доповнюються без модифікації структурної схеми власне технологічної установки котлами-утилізаторами, випаровувальним охолодженням елементів огорожі камер робочого простору, низькотемпературними технологічними апаратами.
Технологічні установки з органічно вбудованими елементами установок зовнішнього тепловикористання відрізняються тим, що останні впроваджуються в структурну схему основної установки, змінюючи її так, щоб забезпечити найбільш сприятливі умови роботи камер робочого простору і всієї установки в цілому.
Теплотехнологічні установки з зовнішнім замикаючим тепловикористанням, цілковито призначені для одноцільового виготовлення заданої технологічної продукції, відрізняються від комбінованих агрегатів технологіч-
Рисунок 1.8 – Класифікація теплових схем високотемпературних теплотехнологічних установок з паливним джерелом енергії
ного або енерготехнологічного призначення. Наприклад, комбінований енерготехнологічний агрегат призначений для вироблення енергетичної і технологічної продукції при заданих для кожної з них рівнів виробництва, є альтернативним рішенням роздільного варіанту вироблення цих видів продукції. Теплотехнологічні установки, що спрямовують для використання в інші самостійні системи надлишки теплоти спалюваного палива, димові гази, відходи теплоти (енергії) технологічної продукції або технологічних відходів, відносяться до категорії суміжно пов'язаних з іншими автономними технологічними енергетичними установками. Доменна піч є прикладом такого варіанту зв'язку (через доменний газ) з іншими установками (печами підприємства, котлами ТЕЦ).
На рис. 1.9 наведений ряд варіантів теплових схем установок з регенеративним тепловикористанням в зіставленні з найпростішою. Схеми IV, V, VІ, аналогічні тепловим схемам відповідно багатозонних методичних нагрівальних печей, деяких шахтних випалювальних печей, обертаючихся печей випалювання на цементний клінкер, відкривають значні можливості для реалізації глибокого регенеративного тепловикористання і зниження питомої витрати палива на процес. Однак ці можливості можуть бути peaлізовані найкращим чином тільки при малих значеннях відношення потоку теплоти Qо.сi і через огорожу технологічних камер (в першу чергу камери ОТО) до потоку теплоти, що поглинається обробляємим матеріалом в цих камерах (тобто
Qо.сi/ Qмi 0).
На рис. 1.10 наведені варіанти теплових схем установок з зовнішнім замикаючим тепловикористанням.
Схема І, аналогічна тепловій схемі мартенівської печі з котлом-утилізатором і системою випарювального охолоджування елементів огорожі, відноситься до теплотехнологічних установок з прибудованими елементами установок зовнішнього тепловикористання. Наступні два варіанту ілюструють теплові схеми теплотехнологічних установок з органічно вбудованими
елементами установок зовнішнього технологічного (ІІ) і зовнішнього енергетичного (ІІІ) тепловикористання. З цих варіантів більшими потенційними можливостями економії палива відрізняється варіант з зовнішнім технологічним тепловикористанням. Варіант ІV ілюструє на прикладі доменної печі теплові схеми технологічних установок, суміжно зв'язаних з іншими автономними установками (наприклад, з котлами ТЕЦ). Тут також наведена і гілка прибудованих елементів установки для використання теплоти технологічних відходів (доменного шлаку). Досягнення найбільш високої
Рисунок 1.9 – Теплові схеми високотемпературних теплотехнологічних установок без зовнішнього тепловикористання при паливному джерелі енергії:
ПКГ – підігрівники компонентів горіння.
ефективності теплотехнологічних установок з зовнішнім замикаючим тепловикористанням зв'язане з необхідністю реалізації, по-перше, особливо низьких значень відношення Qо.сi/ Qмi і, по-друге, якомога більш глибокого регенеративного тепловикористання.
У випадку електричного джерела енергії і за відсутністю технологічних газовиділень теплові схеми будуть ілюструвати локальне розміщення джерела енергії і переміщення робочого тіла по зонам або камерам робочого простору теплотехнологічної установки.
Рисунок 1.10 – Теплові схеми високотемпературних теплотехнологічних установок з зовнішнім замикаючим тепловикористанням при паливному джерелі енергії: Ек, ВП, ПП, РОУ – відповідно економайзер, випаровуюча поверхня, пароперегрівник, редукційно-прохолодна установка; ЖВ, ВП, ПП – відповідно поживна вода, водяна пара, перегріта пара; Qогор , Qт.в. – відповідно потік теплоти через огородження камери, теплота технологічних відходів; ТВ – технологічні відходи (супроводжуючі продукти); ГГ – горючі гази; О - окислювач.