Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
Скачиваний:
1
Добавлен:
07.09.2026
Размер:
1 Мб
Скачать
☆

Котлы-утилизаторы

Котлы-утилизаторы используют физическую теплоту, а в
некоторых случаях – и химическую энергию отходящих газов (обезвреживание газовых выбросов, например, сероводородных, при производстве технического углерода путем их сжигания).
Классификация КУ в зависимости от условий теплообмена:
- конвективные;
- радиационно-конвективные;
- радиационные.
Конвективные котлы (рис. 11) устанавливают: за мартеновс-
кими и нагревательными печами в черной металлургии и в химической промышленности; за обжиговыми печами – в произ­водстве строительных материалов.
Рис. 11. Принципиальная схема котла-утилизатора КУ-125
конвективного типа с многократной принудительной циркуляцией:
1
−
циркуляционные насосы; 2 − барабан; 3, 4, 6 − испарительные
секции; 5
−
пароперегреватель; 7 − экономайзер
71
Конвективные котлы-утилизаторы выполняют газо- и водо-
трубными.
Радиационно-конвективные котлы устанавливают за отража-
тельными печами в цветной металлургии, печами обжига в кипящем слое и за другими установками с высокой температурой запыленных отходящих газов.
Радиационные котлы-утилизаторы устанавливают в системах
отвода газов кислородно-конвертерных сталеплавильных цехов чер­ной металлургии (высокая температура и запыленность газов). В этих КУ также используется химическая энергия газов при их дожигании.
Наряду с утилизационными функциями некоторые КУ
выполняют технологические задачи, например, получение серной кислоты из сероводородных газов. Такие КУ называют энерготехно­логическими.
Для работы в условиях запыленных дымовых газов большое
значение имеет очистка поверхности нагрева от пыли, занос которой повышает сопротивление дымового тракта и ухудшает теплопередачу.
Методы очистки поверхностей нагрева КУ:
- паровая обдувка;
- дробоочистка;
- виброочистка;
- ударно-акустическая очистка.
КУ стандартизованы, выбираются по каталогам в зависимости
от параметров дымовых газов (расход, температура, запыленность) и пара.
Для установления показателей работы котла в конкретных
условиях выполняют его поверочный расчет, целью которого является определение для этих условий паропроизводительности и температу­ры перегрева пара.

Испарительное охлаждение

В ВТУ имеются элементы, принудительно охлаждаемые
водой. В таких ВТУ потери теплоты с охлаждением достигают 15-30 % от тепловой мощности печи.
Система испарительного охлаждения (СИО) используется в
черной и цветной металлургии. В СИО вода преобразуется в пар, что ведет к значительной интенсификации отъема теплоты и в 20-30 раз сокращает расход воды вследствие использования скрытой теплоты
72
парообразования. А это, в свою очередь, способствует сокращению расхода электроэнергии на подачу воды, позволяет использовать химически очищенную воду, что ведет к возрастанию стойкости охлаждаемых элементов. Полученный в СИО пар замещает пар, вырабатываемый в автономных паровых котлах. Большинство СИО работает в условиях естественной циркуляции (рис. 12а).
Принудительная циркуляция в СИО (рис. 12б) применяется
при сложной конфигурации охлаждаемых элементов, цикличной работе агрегатов, а также при невозможности расположения барабана на достаточной для естественной циркуляции высоте.
а б
Рис. 12. Принципиальные схемы систем испарительного охлаждения:
а
−
система с естественной циркуляцией; б − система
с многократной принудительной циркуляцией; 1
2
−
охлаждаемый элемент; 3 − циркуляционные насосы
−
барабан;
Расчет СИО сводится к определению оптимальных диаметров
опускного и подъемного трактов, обеспечивающих необходимый расход воды.
Задаются параметры: тепловая нагрузка охлаждаемого
элемента, давление пара в барабане-сепараторе, геометрические и гидравлические характеристики контуров. В СИО получают насыщенный пар давлением 0,8-1,8 МПа. В комбинации с КУ давление пара достигает 4,5 МПа.
73

Энергосбережение в паровых котельных

( )
65432
100 qqqqq
к
бр
++++−=
η
2
q
3
q
4
q
5
q
6
q
2
q
КПД-брутто котла определяется следующим выражением:
,
где
− потери теплоты с уходящими газами;
− потери теплоты от химической неполноты сгорания
топлива;
− потери теплоты от механического недожога топлива;
− потери теплоты в окружающую среду;
− потери теплоты со шлаками.
Дымовые газы, покидающие котел, имеют температуру
110-160 °С,
= 4-8 % от располагаемой теплоты топлива.
Пути утилизации теплоты дымовых газов:
1) применение экономайзеров;
2) применение воздухонагревателей;
3) применение усилителей турбулентности потоков.
Экономайзер − это система труб для подогрева питательной
воды. Трубы располагаются в канале для отвода отходящих газов. Экономайзер подогревает воду для систем центрального отопления или горячего водоснабжения.
Воздухонагреватель и экономайзер выбираются, исходя из
уровня температуры дымовых газов, сопротивления газового тракта, давления рабочего пара, капитальных и эксплуатационных затрат. Экономайзеры более предпочтительны для небольших котло­агрегатов производительностью 6-23 т воды/ч. Экономайзер требует меньше капитальных затрат, расходует меньшее количество энергии, не оказывает влияния на выбросы окислов азота. На крупных котлоаг­регатах с давлением выше 2,8 МПа используется комбинация возду­хонагревателя и экономайзера. Общий КПД котлоагрегата растет приблизительно на 2,5 % на каждые 55 °С снижения температуры газов в дымовой трубе.
Воздухонагреватели служат для передачи тепла от дымовых
газов к воздуху, поступающему в топку котла. Общий КПД котлоагрегата увеличивается приблизительно на 2 % на каждые 55 °С увеличения температуры воздуха. Подогрев воздуха осуществляется с помощью рекуператоров, регенераторов или тепловых труб.
74
В качестве усилителей турбулентности потоков используют
дефлекторы, устанавливаемые во вторичных газоходах котла с дымогарными трубами. Они увеличивают турбулентность пламени и тем самым конвективный теплообмен с окружающей котловой водой и способствуют более эффективному использованию теплопередающих поверхностей.
Потери q
возникают из-за незавершенных химических
3
реакций горения топлива под действием высокой температуры. Величина q СО
, СН4) . На величину q3 влияют вид топлива, коэффициент избытка
2
= 0,35-1 % зависит от содержания несгоревших газов (Н2,
3
воздуха в горелках и тепловая нагрузка котла.
Потери q
от механической неполноты сгорания обусловлены
4
неучастием в горении некоторой части топлива, поступившего в топ­ку. Для разных видов топлива и конструкций топок q
составляет
4
0,5-5 % от располагаемой теплоты. При сжигании жидкого и газооб­разного топлива q
= 0. На величину q4 влияют зольность топлива,
4
тонкость помола, выход летучих, избыток воздуха в горелках, время пребывания частиц топлива в топках, уровень температур и аэродинамика в топке.
Потери q
зависят от конструкции, состояния футеровки и
5
удельной поверхности охлаждения. Для котлов большой производительности q производительности q
Потери q
вызваны высокой температурой удаляемых шлаков
6
= 0,25-0,5 %, для котлов небольшой
5
достигает 1 %.
5
и зависят от способов их удаления. При сухом удалении шлаков
q
= 0,1 %, при жидком шлакоудалении q6 = 2 %. При сжигании
6
жидкого и газообразного топлива q
= 0. Доля затрат энергии на
6
собственные нужды котла (насосы, дымососы) составляет от 2 до 5 % располагаемой теплоты.
Энергосбережение в печах. Оптимальный выбор типа печи,
интенсивности ее работы (напряжения пода) и системы отопления
Тип печи оказывает решающее влияние на ее
энергопотребление [12;13].
Например, печи с роликовым подом являются наиболее уни-
версальными по технологии и обрабатываемым изделиям, хорошо встраиваются в непрерывные линии производства, однако необходи­мость охлаждения роликов в высокотемпературных печах приводит к
75
повышенному энергопотреблению. Поэтому для высокотемператур­ного нагрева печи с роликовым подом применяются в исключитель­ных случаях.
Напряжение пода характеризует интенсивность работы печи и
определяет использование тепла топлива в рабочем пространстве печи. Естественно стремиться к высокой интенсивности работы печи, т.к. это позволяет увеличить ее производительность или уменьшить размеры печи при той же производительности.
С точки зрения энергопотребления принципиально важно, за
счет чего происходит повышение интенсивности работы печи. Если это происходит за счет увеличения температуры в печи и температуры уходящих из печи продуктов сгорания, то следствием является ухудшение использования тепла в рабочем пространстве печи и повышение энергозатрат.
В то же время повышение интенсивности работы за счет
интенсификации теплообменных процессов позволяет снизить удельные энергозатраты при прочих равных условиях. Поэтому для энергосбережения следует выбирать средства и системы, интенсифицирующие теплообмен в рабочем пространстве печи. К таким средствам можно отнести импульсную, факельно-сводовую и струйно-факельную системы отопления, струйную обдувку, организованную циркуляцию и пр.
Расположение горелочных устройств в проходных печах
существенно влияет на возможность управлять режимом работы печи. Распределенная по длине печи подача топлива при сводовой или боковой системе отопления позволяет гибко регулировать тепловой и температурный режимы печи в условиях широкого изменения сортамента нагреваемых изделий и производительности печи. Порядное регулирование подачи тепла позволяет установить оптимальные тепловые и температурные режимы нагрева при любом изменении условий работы печи (различные марки сталей и размеры заготовок, различная производительность, горячий и холодный посад и т.д.). В частности, в методических печах при уменьшении производительности можно выключать ряды горелок в конце печи со стороны посадки заготовок и тем самым удлинять методическую зону, добиваясь наилучшего использования тепла продуктов сгорания в рабочем пространстве.
76
Уменьшение потерь тепла из рабочего пространства печи
Уменьшение потерь тепла на водоохлаждаемые элементы − эта
статья потерь тепла является наиболее существенной, особенно в высокотемпературных печах с двухсторонним обогревом, где заготовки лежат на водоохлаждаемых подовых трубах (балках). Здесь потери тепла определяются качеством изоляции подовых труб и балок. Изоляция должна иметь низкую теплопроводность, стойкость к ударам и вибрации, не реагировать с осыпающейся окалиной. Хорошая изоляция не только значительно сокращает потери тепла с охлаждающей водой, но и уменьшает охлаждающее действие труб на нагреваемые заготовки, т.е. повышает равномерность нагрева заготовок. В настоящее время наилучшие результаты показывает двухслойная изоляция с наружным слоем из жароупорного бетона и внутренним – из керамического материала. Стойкость такой изоляции составляет 2-3 года, тепловые потери через охлаждаемые трубы сокращаются в 10-12 раз. Возможно применение изоляционно­рейтерных блоков, предлагаемых НТЦ ЭПУ ОИВТ РАН. Прорабатываются вопросы замены водоохлаждаемых элементов изделиями из высокожаропрочных сплавов (кобальтовые, высокохромистые и др.), металлокерамики и модифицированных огнеупоров, например, карбидокремниевых.
В термических печах целесообразно использовать высокотем-
пературные смазки, которые позволяют отказаться от водяного охлаждения цапф роликов.
Применение современных огнеупорных и теплоизоляционных
материалов позволяет значительно уменьшить потери тепла через кладку, улучшить плотность печи, увеличить стойкость футеровки и межремонтные периоды работы печи.
В настоящее время для футеровки методических
нагревательных печей широко применяются жароупорные бетоны, пластичные и набивные массы, волокнистые и легковесные огнеупоры отечественных и зарубежных фирм.
Большой эффект для методических нагревательных печей дает
выполнение подвесного свода из жароупорного бетона. Подвесной свод из штучных фасонных огнеупоров очень неплотен, что вызывает большие потери тепла и фильтрацию продуктов сгорания. Бетонный свод выполняется из нескольких слоев и крепится на керамических анкерах. Внутренний слой, обращенный в рабочее пространство печи,
77
выполняется из жароупорного бетона с содержанием А12О3 не менее 50 %. Бетонный свод обладает высокой плотностью, хорошими изоли­рующими свойствами, его стойкость превышает стойкость подвесного свода из фасонных огнеупоров в 5-10 раз. Очень важно качество огнеупоров, применяемых для выполнения подины печей. Они должны иметь высокую огнеупорность и термостойкость, достаточную прочность при ударном и истирающем воздействии заготовок, а также не реагировать с осыпающейся окалиной.
Для футеровки подины толкательных печей целесообразно
использовать в верхнем рабочем слое жароупорные бетоны с содержанием А1
не менее 80 %.
2О3
Для балок в печах с шагающим подом применяют
многослойную футеровку с верхним рабочим слоем, выполненным из жароупорного бетона с содержанием А1
в высокотемпературной
2О3
зоне не менее 80 %, а в низкотемпературной зоне – не менее 50 %. Такая футеровка позволяет отказаться от металлической облицовки шагающих балок, выполняемой из дорогостоящего жароупорного стального литья. Улучшается качество и экономичность нагрева, т.к. при металлической облицовке балок происходит сток тепла в щели между балками, в результате чего увеличивается неравномерность нагрева заготовок и расход топлива.
Ниже перечислены некоторые меры, используемые для
уплотнения рабочего пространства печей:
- применение плотных футеровок из неформованных огне-
упоров (огнеупорных бетонов, набивных и пластичных масс) вместо кладки из штучных кирпичей с большим количеством кладочных швов;
- применение в проходных нагревательных печах, где это
возможно, боковой посадки и выдачи, минимальные размеры окон для посадки и выдачи, газовые завесы на этих окнах, сокращение количества рабочих окон и применение на них плотных заслонок;
- водяные затворы по всему периметру у печей с шагающим
подом;
- механический прижим заслонок в камерных печах;
- применение газодинамических, шторных и клиновых
затворов в проходных термических печах с защитной атмосферой;
- плотные резиновые затворы с прижимами в садочных печах с
защитной атмосферой.
78
Применение современных автоматизированных систем
управления технологическим процессом (АСУ ТП)
Для реализации мер по энергосбережению необходима
оптимизация тепловых и температурных режимов работы печей в условиях широкого изменения сортамента, технологии и производительности. С этой целью разработаны современные АСУ ТП с использованием контроллерной техники и ПЭВМ на базе развитых математических моделей печей. Они могут включать в себя:
- систему управления тепловым режимом и транспортом
заготовок (в проходных печах);
- систему оптимизации теплового режима по прямым
показателям или по управляющей модели с возможностью адаптации модели по прямым показателям;
- систему управления сжиганием топлива (для пламенных
печей), минимизирующую его расход;
- систему слежения за материальными потоками и систему
сопровождения;
- систему комплексной диагностики работы самой системы,
приборов и оборудования.
АСУ ТП печи должна входить в интегральную
энергосберегающую систему технологического комплекса или линии. Примером комплексного решения проблем энергосбережения может служить построенная по проекту «Сталь-Проект» печь с шагающим подом мелкосортно-проволочного стана 250 Молдавского металлургического завода.
Печь с полезной длиной 16 м и общей тепловой мощностью
38,2 МВт предназначена для нагрева заготовок сечением 125x125 мм и длиной от 8 до 12 м. Печь имеет боковую загрузку и выдачу заготовок с помощью внутрипечных рольгангов. В этой печи применено пол­ностью сводовое отопление. Между отапливаемой и неотапливаемой частями печи установлен пережим, который можно изменять по высоте и по конфигурации. Для наиболее ответственных узлов кладки применен жаропрочный бетон. Футеровка свода выполнена трехслойной заливной жаропрочным бетоном на керамических анкерах. Также из жаропрочного бетона выполнен рабочий слой футеровки подовых балок. Благодаря высокой прочности бетонной футеровки не потребовалась металлическая облицовка подовых балок, и тем самым исключался сток тепла в щели между ними. По всему периметру шагающих балок предусмотрен водяной затвор, причем ось
79
желоба смещена относительно оси щели между балками. Это также уменьшает потери тепла через нижнее строение печи. Продукты сгорания из рабочего пространства печи отводятся вниз, что способствует прогреву верхней части щелей и уменьшению опасности подсоса окружающего воздуха в районе подовых балок.
Система автоматизации участка печей обеспечивает
оптимизацию режима нагрева заготовок с использованием современных технических средств. Для качественного нагрева металла при минимальных энергозатратах разработана и внедрена развитая динамическая управляющая модель печи, работающая в режиме реального времени. Для нагревальщиков предусмотрен современный операторский интерфейс. Контроллеры «Сименс» объединены локальной промышленной сетью и вместе с операторскими станциями интегрированы в общецеховую систему слежения и сопровождения материальных потоков. Примененная новая современная система автоматизации отличается высокой надежностью с развитой диагностикой работоспособности как отдельных элементов и узлов системы, так и всего технологического оборудования. Опыт эксплуатации показал надежную и устойчивую работу печи при очень низких удельных расходах тепла – 38-40 кг условного топлива на тонну (1113-1172 кДж/кг), что соответствует тепловому КПД 0,7-0,75.
Контрольные вопросы
1. Повышение эффективности использования топлива в ВТУ.
2. Регенерация тепловых и горючих отходов ВТУ.
3. Анализ тепловых схем ВТУ с регенерацией тепловых и
горючих отходов.
4. Регенеративные подогреватели компонентов горения.
5. Регенеративные подогреватели исходных технологических
материалов.
6. Основы теплового расчета регенеративных устройств.
7. Вторичные энергоресурсы ВТУ и их использование.
8. Котлы-утилизаторы.
9. Испарительное охлаждение.
10. Энергосбережение в паровых котельных.
11. Оптимальный выбор типа печи.
12. Уменьшение потерь тепла из рабочего пространства печи.
13. Применение современных автоматизированных систем
управления технологическим процессом.
80
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]