Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
где Р − объем выпускаемой продукции (производительность
PBbT=
(
РВQb
н
pTу
29300
.
=
)
(
)
,
01
2
21.
η
техн
потoc
Т
пот
mp
ocp
р
нmx
QQHBQQ
QBBQ
∆+∆+∆+−
=−=∆
( )
21
BB −
экз
ij
энд
ij
qq ,
ВТУ), кг/с;
2) в единицах расхода фактического топлива (кг/кг, м
3
/кг):
,
3) в единицах расхода условного топлива (кг/кг):
,
где 29300 кДж/кг − теплота сгорания условного топлива.
Регенерация тепловых и горючих отходов ВТУ
1. Термическая регенерация. Регенеративным устройством
является теплообменник, в котором теплота отходов передается
регенерирующим теплоносителям.
2. Термохимическая регенерация. Регенеративным устройст-
вом является реактор – теплообменник, в котором энергия отходов
преобразуется одновременно в теплоту и энергию химических связей
регенерирующего теплоносителя.
Пример термохимической регенерации: продукты паровой
конверсии природного газа, образующиеся из парогазовой смеси в
регенеративном реакторе топливопереработки.
Эффективность регенерации можно определить по снижению
видимого расхода топлива.
Пример: тепловой баланс однокамерного теплового реактора:
где
∆Q
− экономия энергии топлива за счет регенерации отходов;
х.т
− снижение видимого расхода топлива;
− суммарная тепловая мощность всех регенеративных
Q
p
устройств:
«"» − параметры на выходе из регенерирующего устройства;
«΄» − параметры на входе в регенерирующее устройство;
− тепловые эффекты эндотермической и экзотермичес-
кой реакций в i-м энергоносителе;
61
ij
Q
− приращение энергии i-го энергоносителя за счет энергии
mp
oc
Q
техн
потocпот
QQН ∆∆∆ ,,
01
η
( )
∑∑∑∑
=
′′
−−+
′′′′
= ,
ijijij
экз
ij
энд
ijijijijp
QtсqqtcmQ
01
η
∑
=
j
рр
QQ
η
j
Q
max
p
η
max
p
η
1
max
=
p
η
∑∑
=
jjjp
QQ
ηη
( ) ( )
jjijijijj
tWttW
′′
−
′′
=
∑
η
j-го отхода;
− потери теплоты регенерирующих энергоносителей на
пути от регенерирующего устройства до высокотемпературных зон
тепло-технологического реактора;
− изменение тепловых потерь исход-
ного теплотехнологического реактора, обусловленных подключением
к нему регенеративных устройств;
− коэффициент отъема теплоты топлива исходного
реактора.
Суммарная тепловая мощность всех регенеративных уст-
ройств:
где mij, сij, t
− соответственно расход, удельная теплоемкость, тем-
ij
пература i-го энергоносителя регенерирующего энергии j-го отхода.
Из уравнения теплового баланса следует, что экономия
химической энергии топлива за счет регенерации пропорциональна
Q
, т.е. на каждый килоджоуль регенерируемой энергии экономится
р
несколько килоджоулей энергии топлива, и тем больше, чем ниже
.
Полнота регенерации энергетических отходов характеризуется
коэффициентом комплексной регенерации:
,
где
− энергия j-го энергетического отхода.
Предельное значение
для конкретной схемы ВТУ может
быть меньше единицы. Отбор тепловых схем ВТУ, для которых
= 1, составляет содержание первого этапа оптимизации регенера-
тивного теплоиспользования (структурная оптимизация). Условие
находится путем совместного решения двух уравнений:
,
,
62
где
j
η
ijj
tt
′′′
,
( )
1→
p
η
ij
t
′
1
max
=
p
η
ij
t
′′
1
max
=
p
η
max
p
η
jij
WW
∑
− коэффициент регенерации j-го отхода;
, W
W
− водяные эквиваленты i-го отхода и используемого для
j
ij
его регенерации i-го энергоносителя;
− температуры j-го отхода и i-го энергоносителя.
Глубокая регенерация энергетических отходов ВТУ
возможна в рамках тепловых схем ВТУ, предусматривающих
глубокую регенерацию всех отходов с использованием всех
регенерирующих теплоносителей (особенно тех, чья начальная
температура
равна температуре окружающей среды).
Обеспечение условия
∑W
≥ 1. Чем больше ∑W
ij /Wj
реализуется условие
.
, тем при меньших значениях
ij /Wj
возможно при условии
Анализ тепловых схем ВТУ с регенерацией
тепловых и горючих отходов
Рассмотрим простейшие тепловые схемы с регенеративным
теплоиспользованием (рис. 8).
На схеме, представленной на рис. 8а, предусмотрена регене-
рация только теплоты отходящих газов с одним компонентом
горения − окислителем.
В схеме, представленной на рис. 8б, используются оба компо-
нента горения (подогрев окислителя и топлива). Это дает заметное
приращение
, особенно для ВТУ, отапливаемых низкокалорийным
газовым топливом.
Переход к схеме, представленной на рис. 8в, обеспечивает
радикальное увеличение
, т.е. создает хорошие термоди-
намические предпосылки для глубокой регенерации теплоты
отходящих газов.
63
а
б
в
Рис.8 Тепловые схемы ВТУ с регенерацией тепловых и горючих
отходов: ХО
дымовые газы; Т
нологический продукт; ХТ
−
холодный окислитель; УГ − уходящие газы; ДГ −
−
топливо; ИМ − исходный материал; ТП − тех-
−
холодное топливо; М − материал
Однако последовательное расположение регенеративных подо-
гревателей снижает уровень коэффициента регенерации. Максимальные возможности глубокой регенерации тепловых и горючих отходов
обеспечивают тепловые схемы, в которых помимо исходных материалов и компонентов горения в качестве регенерирующего энергоносителя используются рециркулируемые отходящие газы, предварительно охлажденные и очищенные от взвешенного уноса вредных
для технологического процесса газовых примесей (Н
балластных СО
и Н2О. Регенерация тепловых потерь через
2
S, SO2), от
2
ограждения может осуществляться как компонентами горения, так и
исходными материалами.
Регенеративные подогреватели компонентов горения
Наибольшее применение в промышленности имеют регенера-
тивные подогреватели компонентов горения за счет теплоты отходящих газов (РПКГ
теплоты технологического продукта) и еще реже – РПКГ
). Значительно реже встречаются РПКГтп (за счет
ог
(за счет
ос
теплоты, уходящей из рабочего пространства в окружающую среду).
Классификация РПКГ (рис. 9, 10):
- с неподвижной огнеупорной насадкой;
- подвижной насадкой;
- вращающейся насадкой.
64
РПКГ с неподвижной насадкой обеспечивают нагрев воздуха и
гуго
tt
..
,
вв
tt
′′′
,
газообразного топлива до 1100-1500 °С.
Рис. 9. Схема регенератора с неподвижной насадкой для реверсивных
теплотехнологических камер: 1
−
насадка регенератора; 2 − пере-
ключающие клапаны на холодной и горячей сторонах регенератора;
−
температуры отходящих и уходящих газов;
−
температуры горячего и холодного воздуха
Перечислим основные недостатки РПКГ, обусловленные
цикличностью работы:
1) изменение во времени температуры отходящих газов и
нагретых компонентов горения, а также тепловой мощности
регенератора;
2) наличие дополнительных тепловых потерь с нагретыми
компонентами горения, сбрасываемых в уходящие газы при
переключениях;
3) дополнительные затраты на создание и обслуживание
сложных и дорогих переключающих устройств.
65
а б
Рис. 10. Схемы регенераторов с насадками: подвижной пересыпной (а);
вращающейся (б); 1а и 1b
2а и 2b
насадки; 4
−
подвод и отвод воздуха; 3 − поток огнеупорной сыпучей
−
поворотная камера; 5, 6 − промежуточные бункеры;
7
−
перепускное устройство; 8 − транспорт сыпучей насадки;
−
подвод и отвод отходящих газов;
9
−
уплотнение
Регенеративные подогреватели исходных технологических
материалов
Наиболее распространены регенеративные подогреватели ис-
ходных материалов, использующие теплоту отходящих газов (РПИМ
),
ог
которые по сравнению с регенеративными подогревателями контактных
газов (РПКГ
) имеют ряд преимуществ, особенно когда нагрев техно-
ог
логического сырья осуществляется при его непосредственном контакте с
отходящими газами. Поверхность теплообмена в этом случае − это
поверхность зерен и гранул исходного технологического материала.
66
Непрерывная сменяемость поверхности теплообмена придает
( )
0=
′′
′′
ог
ог
td
tdЗ
( )
ог
tЗ
′′
ог
t
′′
ог
t
′′
ру
ociiiiiijjjjjj
QtcPtcPtcPtcP +
′′′
−
′′′′′′
=
′′′′′′
−
′′′
руруpу
pу
oc
FtkQ ∆=
ocococ
ру
oc
FtkQ ∆=
( )
руoc
FFϕ=
ей неограниченную эксплуатационную стойкость, которая не зависит
ни от температуры отходящих газов, ни от содержания в них
расплавленных примесей.
Экономичность глубокого охлаждения отходящих газов в
РПИМ обусловлена совокупностью ряда теплотехнологических
предпосылок:
1) противоточное движение исходных материалов и
отходящих газов;
2) высокая интенсивность теплообмена во всем интервале
изменения температуры газов;
3) высокая удельная поверхность (на единицу объема рабочего
пространства) теплообмена.
Оптимальное значение температуры газов на РПИМ
нахо-
ог
дится решением уравнения
,
где
− зависимость приведенных затрат от температуры газов
за РПИМог.
Из-за разнообразия теплотехнологических условий в РПИМ
оптимальные значения температуры
для разных ВТУ существенно
различаются.
Основы теплового расчета регенеративных устройств
Тепловой расчет регенерирующего устройства, обеспечиваю-
щего регенерацию j-го отхода с i-м теплоносителем, − это решение
системы четырех уравнений: уравнения теплового баланса, двух
уравнений теплопередачи, уравнения взаимосвязи геометрических
параметров регенеративного устройства:
,
,
,
,
67
ог
где Pj, xj, tj − расход, удельная теплоемкость и температура j-го
iii
tcP ,,
ос
ру
FF ,
ру
Q
ру
F
ру
ос
Q
oc
F
руoc
k
k ,
oc
F
;
ру
F
ocру
tt ∆∆ ,
ру
F
oc
F
Q
ру
ос
Q
ру
F
oc
F
ру
Q
ру
ос
Q
j
t
′′
i
t
′′
отхода;
− расход, удельная теплоемкость и температура i-го
регенерирующего теплоносителя;
− площади поверхности теплообмена регенеративного
устройства и его обмуровки;
− тепловой поток, передаваемый через
;
− тепловой поток в окружающую среду через поверхность
− коэффициенты теплопередачи, усредненные по
и
;
− усредненные температурные напоры;
«΄», «″» − параметры теплоносителя до и после
регенеративного устройства.
Исходными данными поверочного теплового расчета
являются: начальные температуры, расходы, скорости, состав
теплоносителей.
При конструкторском тепловом расчете также задается
температура одного из теплоносителей, расположенного за
регенеративным устройством.
,
,
,
В конструкторском расчете находят
поверочных расчетах величины
,
,
,
жат
.
ру
,
заданы, а определению подле-
. В
В обоих расчетах предусматривается расчет температуры
наиболее нагретого участка поверхности теплообмена, по которой
выбирается материал, обеспечивающий длительную эксплуатацию
регенеративного устройства.
Вторичные ресурсы ВТУ и их использование
Вторичные энергоресурсы ВЭР − энергетические отходы
теплотехнологических установок, не используемые в самой установке,
но которые могут быть использованы в других установках.
Виды ВЭР: топливные, тепловые, избыточного давления
отходящих газов.
К топливным ВЭР относятся газы: доменный, коксовый,
конверторный, ферросплавный и др.
68
Тепловые ВЭР: физическая теплота отходящих газов, шлаков,
,
зам
пак
п
эк
QМQ
η
==∆
п
эк
Q
∆
зам
η
( )
отхn
n
BQQ
m =
( )
.1
0
η
−=
р
нотх
QQ
0
η
( )
( )
зам
n
общ
зам
р
нn
п
эк
m
М
BQm
Q
η
η
η
η
00
11 −
=
−
=∆
зам
n
экn
п
эк
QmQ
η
↑↓∆↑↑∆ ,
в ряде случаев − технологического продукта, теплота охлаждения
элементов установки.
Различают внешнее энергетическое и комплексное использо-
вание теплоты отходящих газов. Наиболее распространено внешнее
использование теплоты отходящих газов в ВТУ при производстве
пара в котлах-утилизаторах (КУ). Использование теплоты в КУ не
дает экономии топлива, сжигаемого в установке, при этом
эффективность установки определяется экономией топлива,
необходимого для производства такого же количества и качества
(давление и температура) пара в котле с автономным отоплением.
Экономию топлива можно определить по формуле
где
− экономия теплоты топлива при производстве пара
(1)
в КУ, кВт;
− тепловая мощность замещенного (автономного) котла,
М
ак
кВт;
Q
− теплота вырабатываемого пара, кВт;
n
− КПД автономного замещаемого котла.
Количество теплоты в паре, выработанном в КУ, зависит от
степени использования теплоты отходящих газов:
где
− коэффициент отъема теплоты топлива.
, (2)
,
(3)
С учетом уравнений (2) и (3) уравнение (1) можно переписать:
,
где m
− степень использования теплоты топлива;
n
.
Наиболее эффективными являются комплексные схемы испо-
льзования теплоты отходящих газов в ВТУ, сочетающие регенеративное и внешнее теплоиспользование. Экономия теплоты при такой
схеме (например, подогрев воздуха и получение пара) определяется
69
формулой
п
эк
в
эк
акобщ
общэк
Q
Q
ММ
МQ ∆+
∆
=+
−
′
=∆
∑
общ
М
общ
М
′
в
эк
Q
( )
( )
00
0
1
1
ηη
η
−+
−
=∆
в
в
общ
в
эк
m
m
МQ
( )
( )
[ ]
00
0
1/
1
ηη
ηη
−+
−+
=∆
∑
mn
nn
МQ
зам
общэк
т
m
n
в
=
,
где
и
− общая тепловая мощность в ВТУ при работе на
холодном и подогретом воздухе;
− экономия теплоты топлива от регенеративного
∆
подогрева воздуха:
.
Окончательно получаем
,
где
.
Общий принцип максимального использования теплоты по
замкнутой регенеративной схеме определяется нижеследующими
соображениями.
1. ВТУ отапливается более дорогим и дефицитным топливом,
чем паровые котлы, т.е. экономия топлива ВТУ более эффективна,
чем топлива, используемого автономным котлом.
2. Если установка котла-утилизатора (КУ) позволяет заме-
щать пар от районной ТЭЦ, то это ведет к ухудшению использования
топлива на ТЭЦ. При этом экономия топлива снижается на 25-50 %.
3. КУ часто работают неудовлетворительно из-за подсосов
воздуха по дымовому тракту и заноса поверхности нагрева пылью, что
снижает использование теплоты отходящих газов.
4. Подогрев воздуха в ряде случаев связан с необходимостью
получения в реакторе требуемых температур, что определяется
пирометрическими условиями работу ВТУ. Подогрев воздуха
облегчает повышение производительности ВТУ.
Комплексное использование теплоты отходящих газов не огра-
ничивается подогревом воздуха и получением пара. Весьма эффективным является сочетание регенеративного и внешнего технологического теплоиспользования в низкотемпературных теплотехнических
установках (сушилках). Также возможна утилизация теплоты отходящих газов для получения горячей воды и подогрева воздуха для
отопительно-вентиляционных целей.
70