Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
– значительную роль играют процессы, в которых температура,
как исходного материала, готового продукта, так и элементов конструкций оборудования большой массы постоянно изменяются в течение
всего технологического процесса.
Коэффициент полезного использования тепловой энергии в высокотемпературных технологических процессах определяется путём составления тепловых балансов как для предприятия в целом, так и его
а,
части (цех
участка, теплотехнологической установки и т.д.) [2].
Тепловой баланс теплотехнологической установки является основой при выполнении её энергетического анализа. На основе теплового
баланса теплотехнологической установки можно определить расход
топлива или электроэнергии, затраченный на производство единицы
конечного продукта. Это в свою очередь является базой для оценки
энергоэффективности исследуемого технологического процесса.
эффициент испо
Ко
теплотехнологической установки можно определить из выражения
где
лива;
р
, QВ – расход и низшая теплота сгорания израсходованного топ-
н
Q – потери тепловой энергии;
пот
льзования тепловой энергии (тепловой КПД)
т
p
н
пот
−=η
,1
QBQQ+
экз
Q
– теплота экзотермических
экз
реакций, протекающих в технологической зоне.
6.3.2. Мероприятия по энергосбережению
При разработке энергосберегающих высокотемпературных теплотехнологических процессов и выборе мероприятий по энергосбережению предложена
заключается в сравнении энергетических характеристик фактических
(действующих) объектов с их термодинамически идеальными моделями, имеющими теоретический минимум энергозатрат [26]. Такой подход позволяет определить, насколько совершенной является рекомендуемая технология и имеется ли резерв энерго- и ресурсосбережения.
Основными ограничениями достижения самого высокого уровня энергоэффективности объектов являются ограничения экономические.
На ри
правленных на энергосбережение (на примере чёрной металлургии).
в высокотемпературных теплотехнологиях
концепция интенсивного энергосбережения, которая
сунке 6.
6 представлена классификация мероприятий, на-
91
Энергосберегающие мероприятия
92
Новые технологии Снижение доли тепловых Регенерация тепловых Внешнее дополнительное
. и газообразных отходов и газообразных отходов использование тепловых
и газообразных отходов
Непрерывная
разливка стали
Совершенствование Совершенствование
Испарительное процесса горения технологического С компонентами Технологическое
охлаждение процесса горения
Сухое тушение Оптимизация Структурная
кокса концентрации оптимизация
и коэффициента технологической С технологическим Энергетическое
Применение газовых расхода схемы сырьём
утилизационных окислителя
бескомпрессорных
турбин
Термическая Оптимизация
Глубокое подготовка температурного С рециркулируемыми
обогащение руд компонентов уровня и состава продуктами
горения исходного процесса
материала
Рис. 6.6. Классификация энергосберегающих мероприятий
в высокотемпературных теплотехнологических процессах чёрной металлургии
Как видно из классификации, все мероприятия можно разделить
на четыре группы [26]:
1) внедрение передовых прогрессивных энергосберегающих тех-
нологий;
2) снижение энергетических потерь и материальных ресурсов
(отходов) в высокотемпературных технологических установках (ВТУ);
3) использование энергии ВЭР, которые покидают технологиче-
ские установки путём возврата её в технологический процесс;
4) использование энергии ВЭР для получения тепловой или
электрическ
энергии или при проведении технологических процес-
ой
сов в других установках (внешнее использование).
Из перспективных
новых технологий можно выделить, напри-
мер, непрерывную разливку стали, дающую экономию энергии до
20%.
Испарительное охлаждение металлургических агрегатов и их
узлов снижает почти в 3 раза расход энергии по сравнению с оборотной схемой охлаждения.
Сухое тушение кокса также даёт хорошую экономию энергоре-
сурсов (охлаждение раскалённого кокса циркулирующими газами с
последующим использованием тепловой энергии газов в котельных
установках).
Внешнее использование тепловой энергии может быть связано,
например, с получением пара или горячей воды для внутреннего (хозяйственного) использования или, например, для подогрева воздуха в
сушилках.
Тепловая энергия газообразных ВЭР используется для получения
пара в котлах-утилизаторах, которые, в зависимости от степени запылённости газа, подразделяются на радиационные, конвективно-радиационные и конвективные. Безусловно, для обеспечен
ия надёжно
й работы котлов-утилизаторов, работающих на сильно запылённых уходящих (дымовых) газах, необходимо систематически осуществлять
очистку рабочей поверхности котлов.
Как показывает практика, внешнее технологическое использование тепловой энергии в целях энергосбережения является более предпочтительным, чем энергетическое из-за невысокой температуры отходящих газов.
Также эффективным направлением вне
него энергетического
ш
применения ВЭР в высокотемпературных теплотехнологических процессах для получения электроэнергии считается использование избы-
93
точного давления отходящих газов. Это осуществляется в ГТУ, когда
предварительно сжатый в компрессоре воздух подогревается в воздухоподогревателе за счёт теплоты, запасённой в отходящем газе, подаётся в качестве дутьевого воздуха в рабочую камеру ВТУ. При этом в
генераторе, который находится на одном валу с турбиной и компрессором, вырабатывается электрический то
Как по
казывает практика, удаётся практически полностью утили-
к.
зировать (использовать) тепловую энергию отходящих газов ВТУ.
Снижение тепловых и газообразных отходов технологий мож-
но отнести к организационно-технологическим энергосберегающим
мероприятиям. Здесь основным энергетическим ресурсом является
тепловая энергия отходящих газов. Параметры (температура) отходящих газов колеблется от 650 (в мартеновских печах, в печах по производству шамота, доломита, извести) до 1500 °С (в печах обжига про-
катных производств).
Оптимизация температурных режимов обработки материала
направлена на уменьшение числа циклов «нагрев–охлаждение» материала в течение технологического процесса, а также снижение потерь
за счёт уменьшения температуры отходящих газов.
Совершенствование процесса горения сводится к использова-
нию наиболее эффективных способов сжигания топлива. При этом,
с одной стороны, могут устраняться механические и химические недожоги, а с другой стороны, снизить расход отходящих газов за счёт
уменьшения коэффициента избытка воздуха.
Схема
регенерации тепловых и газообразных отходов с компо-
нентами горения и технологическим сырьём включает в себя, как правило, теплообменные аппараты для подогрева компонентов горения и
термохимическую регенерацию [27]. Могут применяться теплообменники различных типов (металлические, керамические, металлокерамические, рекуператоры).
Сущность термохимической регенерации углеводородного сырья
заключается в том, что при использовании тепловой энергии ВЭР для
проведения химической реакции по
лучают то
пливо с более высокой
теплотой сгорания, чем у исходного.
Более совершенным способом, позволяющим существенно
уменьшить потери тепловой энергии с отходящими газами, является
способ с использованием термохимической и воздушной регенерациями тепловой энергии газовых отходов (рис. 6.7).
94
ВГ ВХ
5 6 УГ
ИМ
ОГ
4
Вода
ТП 1 3 2 УГ
КГ ПГС
Т Пар
Рис. 6.7. Схема с регенерацией тепловых отходов с применением
термохимической регенерации и рекуперативного
подогрева окислителя:
1 – реактор паровой конверсии; 2 – испаритель;
3 – подогреватель парогазовой смеси; 4 – промышленная печь;
5, 6 – воздухоподогреватели первой и второй ступеней;
ВХ – воздух холодный; ВГ – воздух горячий; ИМ – исходный материал;
ТП – технологический продукт; ПГС – парогазовая смесь;
КГ – конвертированный газ; ОГ – отходящие газы печ
УГ – уходящие газы; Т – топливо
и;
Газовые отходы с высокой температурой разделяются на два потока в целях обеспечения достаточной температуры для организации
паровой конверсии и для подогрева воздуха в воздухоподогревателях
первой
ет смесь природного газа и водяного пара, предварительно подогретая.
Водяной пар образуется в испарителе
ным газом. Полученная парогазовая смесь
догревателе парогазовой смеси
топливо в реакторе превращается в конвертированный газ
направляется на сжигание в промышленную печь
новку) [2].
химической регенерации и воздушной регенерации утилизировать
5 и второй 6 ступеней. В реактор паровой конверсии 1 поступа-
2, затем смешивается с природ-
ПГС подогревается в по-
3 до температуры 400 °С. Исходное
КГ, который
4 (плавильную уста-
Комплексный способ, который позволяет в дополнение к термо-
95
также потери тепловой энергии в окружающую среду, приводит к ещё
более существенному снижению потребляемой тепловой энергии.
В комплексном способе для регенерации потерь тепловой энергии
в окружающую среду применяется фильтруемая изоляция, которая
приводит почти к двукратному уменьшению теплового потока, теряемого через футеровку (тепловую изоляцию) высокотемпературной
плавильной установки.
Тепловая энергия, покидающая промышленную печь с отхо
щими газами, является са
мой значительной составляющей расходной
дя-
части теплового баланса. При применении термохимической регенерации и фильтруемой изоляции она уменьшается пропорционально
уменьшению расхода топлива (например, при варке стекла регенерация тепловых отходов с использованием термохимического реактора,
рекуперативного подогрева окислителя и фильтруемой изоляции
удельный расход топлива снижается на 50% по ср
авнению с и
сходной
схемой, когда используется только термическая регенерация тепловой
энергии) [28].
В высокотемпературных технологических процессах, когда в качестве отходов образуются огненно-жидкие шлаки, имеющие очень
высокую температуру, также считается эффективным использование
их тепловой энергии (например, для подогрева дутьевого воздуха).
Контрольные вопросы для самопроверки
1. Понятие «теплотехнологический процесс» и приведите примеры низкотемпературных и высокотемпературных процессов и установок.
2. Перечислите основные направления энергосбережения в высокотемпературных теплотехнологиях.
3. Назовите основные виды потерь энергии при эксплуатации
сушильных установок.
4. Что такое статика и кинетика сушки?
5. Классификация энергосберегающих мероприятий в сушильных установках.
6. Коэффициент рециркуляции сушильного агента и его влияние
на удельные по
тер
и тепловой энергии.
96
7. В чём заключается процесс сушки материала?
8. Что такое кинетическая оптимизация сушильной установки и
какие вы знаете энерго- и ресурсосберегающие мероприятия, связанные с такой оптимизацией?
9. Что представляет собой процесс выпаривания?
10. Выпарные установки. Основные способы экономии энергии
при эксплуатации выпарных установок.
11. Что представляет собой процесс ректификации?
12. Ректификационные колонны, назначение, пр
13. Уравнение теплового баланса ректификационной колонны.
14. Применение тепловых насосов с целью энергосбережения при
разделении смесей в ректификационных колоннах.
инцип
работы.
97
7. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ ПРИ ПОТРЕБЛЕНИИ ТЕПЛОВОЙ ЭНЕРГИИ
7.1. ОСНОВНЫЕ ПОТРЕБИТЕЛИ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ
Наиболее распространёнными объектами потребления энергоресурсов являются здания и сооружения – места пребывания (жизнедеятельности) людей. Жизнедеятельность в них обеспечивают следующие
инженерные системы:
– теплоснабжения (холодоснабжения);
– водоснабжения (горячего и холодного);
– водоотведения (канализации);
– электроснабжения;
– газоснабжения.
Указанные системы являются потребителями, в первую очередь
тепловой и электрической энергии и топлива. Так, например, тепловая
энергия (или хол
кондиционирования воздуха, горячего водоснабжения. Электрическая
энергия расходуется на освещение, обеспечивает работу бытовых приборов, вспомогательного оборудования (например, холодильного, насосов и т.д.). Топливо расходуется автономными источниками энергоснабжения и бытовыми плитами для приготовления пищи. Вода (питьевая, для хозяйственных нужд) используется системами холодного
вод
о
снабжения и водоотведения.
Системы отопления жилых, общественных зданий, помещений
промышленного назначения присоединяются к тепловым водяным
сетям по зависимой или независимой схеме.
В качестве теплоносителя в системах отопления используется вода, пар, воздух. Выбор теплоносителя определяется, прежде всего, назначением здания.
Системы вентиляции являются также основными потребителя-
ми энергии. В них доля потребления тепловой энергии достигает 90%
от общего потребления энергоресурсов (электроэнергии).
Основное назначение вентиляции – удаление из помещения излишков тепловой энергии, влаги, уменьшение концентрации вредных
веществ ниже предельно допустимого значения (для взрывоопасных
производств – до концентрации ниже предела взрываемости).
В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ
од) потреб
ляются системами отопления, вентиляции,
98
Вентиляция бывает естественная и принудительная (механическая). Механическая вентиляция требует более значительных затрат
тепловой энергии (для подогрева приточного воздуха). В свою очередь
она подразделяется на общеобменную (приточную или вытяжную) и
местную. Местная вентиляция требует гораздо меньших энергозатрат,
чем общеобменная. В производственных помещениях обычно применяют смешанную систему вентиляции.
Системы кондиционирования воздуха предназначены для обес-
печения комфортных условий для жизнедеятельности людей (поддержание установленных значений температуры, относительной влажности, давления, содержания вредных примесей и т.д.). Они подразделяются на комфортные и технологические.
Комфортные системы кондиционирования предназначены для
достижения и поддержания в автоматическом режиме параметров
воздушной среды, отвечающих комфортным условиям пребывания
человека.
Тех
логические системы кондиционирования предназначены
но
для создания микроклимата, отвечающего требованиям технологического процесса.
Необходимо знать, что снижение потребления энергоресурсов
системами отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха не
может осуществляться в ущерб оптимальным условиям микроклимата.
Существуют нормативы потребления тепловой энергии зданиями, сооружениями указанных систем жизнеобеспечения.
7.2. ОСНОВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ЗДАНИЯХ И СООРУЖЕНИЯХ
Основными направлениями снижения потребления энергоресур-
сов являются:
– контроль и учёт за расходованием энергоресурсов;
– доведение потерь энергоресурсов до уровня эксплуатационно
неизбежных;
– совершенствование нормативов потребления энергоресурсов
(без нарушений требований СанПиН);
– применение энергии ВЭР;
– замещение потребления произведённых энергоресурсов по-
треблением энергоресурсов природных источников.
99
Мероприятия, направленные на энергосбережение в системах
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, можно разделить на четыре группы:
1. Организация контроля над использованием тепловой энергии
и расходом теплоносителя.
2. Мероприятия по энергосбережению при строительстве зданий
и сооружений.
3. Совершенствование технических систем по энергосбере-
жению.
4. Использование ВЭР. Применение природной теплоты и холо-
да [2].
Организация контроля над использованием тепловой энергии
и расходом теплоносителя.
Как показывает практика, в результате
эксплуатации систем теплоснабжения, оснащённых приборами контроля и учёта, экономия тепловой энергии достигает 30% от проектных показателей.
Мероприятия по энергосбережению, применяемые при строи-
тельстве зданий и сооружений.
Они направлены на снижение потерь
тепловой энергии и теплопоступлений. Реализация данных мероприятий обеспечивается путём:
– обоснованного выбора ориентации здания относительно сто-
рон света;
– выбора формы здания в плане, а также использованием солн-
цезащитных устройств;
– снижения затрат энергии на искусственное освещение;
– выбора характера остекления проёмов;
– подбора тепловой изоляции, обеспечивающей нормативное
терми
ч
еское сопротивление элементов ограждающих конструкций.
Совершенствование технических систем по энергосбереже-
К этой группе мероприятий относятся:
нию.
– выбор расчётных значений температуры наружного и внут-
реннего воздуха, а также необходимого количества свежего воздуха;
– выравнивание градиента температуры по высоте помещения
(использование зонального и точечного обогрева);
– снижение инфильтрации (оборудование воздушных завес, соз-
дание подпора воздуха);
– наличие изоляции трубопроводов, исключение утечек тепло-
носителя, применение более эффективного тепло
бменного оборудо-
о
вания;
100