Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Энергосбережение в теплоэнергетике, теплотехнике и теплотехнологиях. Учебное пособие.pdf
Кинетические методы. К этой группе относятся методы, свя-
занные:
– с интенсификацией внешнего тепло- и массообмена (увеличе-
ние коэффициента теплоотдачи к объекту сушки, увеличение поверхности тепло- и массообмена и т.д.);
– с интенсификацией внутреннего тепло- и массообмена (увеличение температуры объекта сушки в первом периоде сушки, применение электрических, магнитных, звуковых полей, ПАВ и др.);
– с кинетической оптимизацией (изменение пр
сти, те
мпературы и влагосодержания сушильного агента на входе в
офилей скоро-
установку, интенсификация процесса взаимодействия сушильного
агента и объекта сушки, линеаризация кинетики сушки путём изменения формы сушильной камеры или воздействием электростатического поля и др.).
Использование энергосберегающих технологий. К этой группе от-
носятся методы:
– применения нетрадиционных и возобновляемых источников
энергии (например, замещение органического топлива солнечной или
ветровой энергией при сушке объектов растительного происхождения
и др.);
– применения прерывистых режимов подвода тепловой энергии
к объекту сушки за счёт реверсии потоков сушильного агента, излучения и др.;
а, пар
– использования перегретого (сухого) водяного пар
ов уда-
ляемой влаги в качестве сушильного агента и др.
Первая группа методов энергосбережения приводит к снижению
постоянных затрат первичного топлива. Однако при этом требуется
установка дополнительного утилизационного оборудования, снижающая экономию постоянных затрат энергии за счёт увеличения расходов других ресурсов.
В конвективных сушильных установках основными путями по-
е
вышения энергоэфф
ктивности (т.е. увеличения коэффициента тепло-
вой экономичности) являются:
– сведение к минимуму потерь тепловой энергии с уходящим газом
(сушильным агентом), которые составляют до 70% от всех потерь;
– уменьшение потерь тепловой энергии в окружающую среду
через ограждающие конструкции сушильных камер (составляют до
10% от всех потерь);
– снижение потерь тепловой энергии с п
ролётным пар
ом (со-
ставляют до 15% от всех потерь).
81
Большой эффект по снижению расхода уходящего сушильного
агента (в десятки раз) достигается путём применения рециркуляции
последнего. Коэффициентом рециркуляции
k называется отношение
расхода сухого рециркулирующего сушильного агента к расходу сухого смешиваемого сушильного агента. Различают два способа организации рециркуляции:
1) смешение уходящего сушильного агента со свежим воздухом
перед подогревателем (рис. 6.2,
а);
2) подогрев свежего воздуха с последующим его смешением с
уходящим сушильным агентом (рис. 6.2,
Наибольший эффект имеет первая схема (рис. 6.2,
б).
а) организации
рециркуляции, широко применяемая на практике.
При увеличении
k до верхнего ограничительного предела, с од-
ной стороны, повышается тепловая экономичность процесса сушки,
а с другой стороны, увеличиваются расход электроэнергии на перекачку рециркулирующего воздуха и капитальные затраты на нагреватель.
1
2
а)
1
2
б)
Рис. 6.2. Принципиальные схемы рециркуляции сушильного агента
при конвективной сушке материала:
а – смешение сушильного агента со свежим воздухом
перед подогревателем; б – смешение свежего подогретого воздуха
с уходящим сушильным агентом;
1 – подогреватель; 2 – сушильная камера
82
Для эффективного энергосбережения необходимо, чтобы k стремился
к своему предельному значению, однако при этом увеличиваются конечное влагосодержание сушильного агента, равновесное влагосодержание объекта сушки, уменьшается движущая сила массообмена, что в
конечном счёте приводит к увеличению продолжительности сушки.
При этом возрастают габаритные размеры сушильной установки, т.е.
увеличиваются капитальные затраты.
Таким образом, для минимизации энергозатрат в сушильных установка
х с рецир
куляцией сушильного агента (воздуха) необходимо
анализировать не только статику процесса, но и кинетику сушки.
Кинетическая оптимизация. Она заключается в достижении в
сушильной камере оптимального распределения:
– скорости или температуры сушильного агента (воздуха);
– коэффициента теплоотдачи и коэффициента массоотдачи,
а также установки дополнительных источников подвода тепловой
энергии. Это приводит к уменьшению габаритов (длины) сушильной
установки, а также позволяет миниминизировать массовый расход сушильного агента (воздуха) или конвективный поток тепловой энерг
Кинетическая о
птимизация может заключаться также в измене-
ии.
нии одновременно нескольких параметров (многопараметрическая
задача). Расходы энергоресурсов в сушильных установках с учётом
оптимизации неравномерного тепломассообмена могут снизиться более чем в 2 раза.
Если учитывать кинетическое несовершенство процесса сушки в
сушилке конвективного типа, потери тепловой энергии в сушильной
камере распределяются следующим образом:
тери тепловой эне
– по
ргии из-за кинетического несовершенства
сушильной установки – до 55%;
– потери тепловой энергии с уходящим сушильным газом (воздухом) – до 30%;
– потери тепловой энергии с пролётным паром – до 7%;
– потери тепловой энергии через ограждения конструкции сушильной камеры – до 5%;
– прочие потери – до 2% [2].
Другой фактор, влияющий на неравномерность распределения
ост
коэффициентов тепло- и массоотдачи, а также разн
и температуры и
влагосодержания сушильного агента (воздуха) в потоке и у поверхности объекта сушки (материала) – неравномерность профиля скорости
сушильного агента. Это приводит к тому, что одна часть высушиваемого материала высыхает быстрее, чем другая, что в конечном счёте
83
может привести к локальному его перегреву, короблению и растрескиванию. Выравнивание этого профиля в поперечном сечении сушильной камеры – основной метод устранения неравномерности сушки,
уменьшения энергозатрат и снижения капитальных расходов на сушку.
Уменьшению неравномерности способствует также установка внутри
сушильной камеры перегородок.
6.2.2. Мероприятия по энергосбережению в выпарных установках
Выпарные установки нашли широкое применение при концентрировании растворов солей и нелетучих жидкостей. Удаление влаги
из растворов в установках большой мощности требует значительных
энергозатрат, поэтому проблема энерго- и ресурсосбережения при организации работы выпарных установок всегда актуальна.
Процесс выпаривания, как правило, при крупнотоннажных производствах организуется в аппаратах непрерывного действия.
Как по
казывает пр
актика, экономия энергии в выпарных установ-
ках может достигаться следующими способами:
– путём использования в многоступенчатых выпарных установках тепловой энергии вторичного пара;
– повышением параметров вторичного пара путём использования струйного парового эжектора (или компрессора);
– путём подогрева раствора, направляемого на выпарку, вторичным паром или конденсатом;
о
– использование тепловой энергии ВЭР, п
лучаемых при тепло-
снабжении или в других технологических установках;
– использование тепловой энергии концентрированного раствора (конечного продукта).
Хорошую экономию энергоресурсов (пара) даёт применение многокорпусных выпарных аппаратов поверхностного типа.
Струйный (паровой) эжектор можно устанавливать за любым
корпусом выпарной установки. Чем ниже давление всасываемого пара,
а
тем полнее утилизация тепловой энергии, одн
ко больше требуется
энергии на сжатие.
Использование механического компрессора оказывается более
выгодным, чем струйного парового эжектора вследствие низкого КПД
последнего и невозможностью полной утилизации теплоты.
Значительную экономию тепловой энергии в процессе выпаривания даёт правильный выбор схемы выпарной установки, некоторые
схемы которых приведены на рис. 6.3.
84
1
а)
К потребителю
(р > 10 Па)
б)
К потребителю
(
р < 10 Па)
в
Рис. 6.3. Принципиальные схемы выпарных установок (начало):
)
1
в – прямоточная с ухудшенным вакуумом; г – прямоточная с нуль-корпусом;
д – противоточная; е – прямоточная с отбором экстрапара;
1 – барометрический конденсатор
85
г) 1
1
д)
1
е)
Рис. 6.3. Продолжение
86
Например, использование в схеме конденсатора за последней
ступенью (рис. 6.3,
а) позволяет подавать в первый корпус пар более
низкого давления, чем в установках с противодавлением.
В то же время выпарные установки с противодавлением и ухудшенным вакуумом (рис. 6.3,
б, в) могут служить источником пара низ-
кого давления из последней ступени для его внешнего использования.
В выпарных установках с нуль-корпусом (рис. 6.3,
г) наряду с па-
ром высокого давления, направляемого в него, в первый корпус можно
подавать пар более низкого давления от котлов-утилизаторов, использующих тепловую энергию ВЭР, т.е. здесь можно решать задачу замещения части первичного топлива ВЭР.
Использование противоточных схем (рис. 6.3,
д) позволяет сни-
зить отложение солей на рабочих поверхностях нагрева, что в свою
очередь приводит к снижению потерь тепловой энергии через наружные ограждения (наружную поверхность аппаратов). Однако в отличие
от прямоточных систем, для перекачивания раствора из корпуса в корпус требуется дополнительно установить насосы.
Применение схем с отбором экстрапара (рис. 6.3,
е) позволяет
кроме основной задачи – концентрирование растворов, решать задачу
дополнительного источника тепловой энергии для внешнего потребления.
6.2.3. Мероприятия по энергосбережению в ректификационных колоннах
Процессы разделения жидких смесей также относятся к энергозатратным. Так, например, на переработку нефти и производство нефтепродуктов расходуется в виде топлива, тепловой и электрической
энергии до 12% объёма перерабатываемого сырья.
При использовании ректификационных колонн одной из проблем
является использование низкопотенциальной тепловой энергии. Здесь
ВЭР являются тепловая энергия паров низкокипящих компонентов,
выходящих из верхней части колонны, а также тепловая эне
ргия куб
ового остатка. В этих условиях важным способом экономии ресурсов
(топлива) является использование низкопотенциальной тепловой энергии внешними потребителями, например для выполнения каких-то
других технологических операций.
Рассмотрим работу ректификационной установки на примере регенерации растворов органических растворителей, схема которой
представлена на рис. 6.4.
87
На ГВС
3
Пар от ТЭЦ
7
В систему отопления
1
5 8
Из системы
отопления
4
2
Из системы
6 ГВС
9
Рис. 6.4. Схема ректификационной установки для регенерации
органических растворителей:
1 – ректификационная колонна; 2 – куб; 3 – конденсатор флегмы;
4 – конденсатор готового продукта; 5 – сепаратор; 6 – сборный бак;
7 – водоподогреватель; 8 – насос циркуляционный; 9 – градирня
Отработанный раствор поступает в ректификационную колонну 1
на разделение. Куб
понентов, выходящие из колонны, последовательно охлаждаются в
конденсаторе флегмы
ними установлен сепаратор
которая возвращается на орошение колонны. Дистиллят направляется
в сборный бак
нагретая в конденсаторе флегмы и конденсаторе готового продукта,
может быть использована:
– одна часть в системе горячего водоснабжения (например, для
обеспечения работы моечных машин);
– другая часть в системе отопления (после дополнительного подогрева в водоподогревателе
ной) [2].
88
2 колонны обогревается паром. Пары летучих ком-
3 и конденсаторе готового продукта 4. Между
5 для отделения жидкой фазы – флегмы,
6 и затем возвращается в технологический цикл. Вода,
7 паром, например от ТЭЦ или котель-
В данной системе может быть использовано до 85% тепловой
энергии греющего пара, израсходованного на получение дистиллята.
В тех случаях, когда подогрев куба ректификационной колонны
осуществляется паром с относительно небольшой температурой, рекомендуется использовать для этой цели предварительно сжатые компрессором (или паровым струйным эжектором) пары, уходящие из
верхней части колонны.
компонентов с близкими температурами кипе-
Для разделения сме
сей
ния могут применяться тепловые насосы. Принципиальные схемы разделения смесей с близкими температурами кипения представлены на рис. 6.5.
4 2
II
II
I I
5 5
1 1
4
3
III III
а) б)
а – схема с тепловым насосом, использующим рабочий агент – низкокипящий
компонент смеси; б – схема с тепловым насосом, использующим рабочий
Рис. 6.5. Принципиальные схемы разделения смесей
с близкими температурами кипения:
агент – высококипящий компонент смеси;
I – разделяемая смесь; II – верхний продукт; III – нижний продукт;
1 – ректификационная колонна; 2 – дефлегматор; 3 – рибойлер;
4 – компрессор; 5 – дроссель
89
Это позволяет сэкономить тепловую энергию, подводимую к рибой-
3 и сократить расход воды, направляемой на охлаждение в
леру
дефлегматор
может быть как низкокипящий (рис. 6.5,
(рис. 6.5,
2. Рабочим агентом такой теплонасосной установки
а), так и высококипящий
б) компонент.
6.3. ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ В ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ
Высокотемпературные технологические процессы, как правило,
характеризуются низкой энергоэффективностью при высоком потреблении топливно-энергетических ресурсов (ТЭР). Так, например, коэффициент использования тепловой энергии (тепловой КПД) объектов по
производству стали, меди, алюминия в основном колеблется в пределах 0,2…0,3, и, за редким исключением, – 0,5…0,6. В России расход
топлива в промышленных печах сопоставим с его затратами на выработку электри
еской энергии [2].
ч
Анализ энергоёмкости многих теплотехнологических процессов
показывает, что в этой области имеются значительные резервы экономии энергоресурсов.
6.3.1. Характерные особенности при организации высокотемпературных теплотехнологий
Высокотемпературные теплотехнологические процессы имеют
ряд характерных особенностей:
– для организации технологических процессов в основном используется определённое топливо и электрическая энергия. Так, например, в чёрной металлургии наибольшее распространение получил
каменноугольный кокс (до 35% от общего потребления топлива). Отсюда следует, что в высокотемпературных технологиях большое внимание уделяется организации процесса горения;
– по
тери тепловой энергии с по
верхности ограждающих конструкций реакторов, аппаратов, установок в окружающую среду могут
достигать 20% от всех потерь;
– в высокотемпературных технологических процессах большую
долю потерь составляют потери тепловой энергии с уходящим готовым продуктом, отходами (например, шлаком – до 30%), отходящими
газами (40…70%);
90