Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Оценка энергетической эффективности теплотехнологических установок промышленных предприятий. Учебное пособие
.pdf
++
η
кВт
кВт
кВт
кВт
QQQ
ПЭ
−=
1
ХТ
ЭКЗ
n
∑
1
ОСШООГ
, (6.2)
⋅++
qNQQ
ээni
где
продукты горения топлива и шихтовые газы,
са,
Q
– суммарное теплосодержание отходящих газов, включая
ОГ
;
Q
– теплота шлаковых (твердых или жидких) отходов процес-
ШО
;
Q
– суммарный отвод теплоты в окружающую среду с прину-
ОС
дительным или естественным охлаждением рабочей камеры и рассеиванием в атмосферу,
.
Размерность составляющих величин в уравнениях (6.1) и (6.2)
указана в
, что справедливо для непрерывных высокотемпературных процессов. В случае циклического характера процесса с резко
неравномерным по времени потреблением теплоты целесообразно
считать составляющие в единицах теплоты на тонну технологического продукта или исходной шихты. Особо следует подчеркнуть также,
что выражения (6.1) и (6.2) носят базовый характер и в них учитывается использование теплоты в рабочей камере при холодном дутье.
Большинство ВТТУ работает в настоящее время с дополнительным использованием теплоты – за пределами основной рабочей камеры, в которой осуществляется производственный процесс. Наиболее часто используется теплота отходящих дымовых газов по так
называемым замкнутым регенеративным схемам – для нагрева дутьевого воздуха или в отдельных случаях сжигаемого газообразного
топлива, для предварительного нагрева поступающих в агрегат шихтовых материалов, для эндотермической термохимической подготовки сжигаемого топлива (так называемая химическая регенерация теплоты отходящих газов). Все эти варианты различны по своей технологической и энергетической эффективности, и выбор наилучшего
варианта является предметом специального исследования на основе
математического описания всех процессов.
91
Достаточно широкое распространение получило также внешнее
η
γβα
,
,
ХТ
(энергетическое) использование теплоты отходящих газов – для выработки водяного пара тех или иных параметров с целью снабжения
им сопутствующих технологических установок и производств и замены, таким образом, пара, получаемого в централизованных топливопотребляющих источниках.
Принципиально возможно использование физической теплоты
шлаковых отходов ВТТУ. Отходящие шлаковые и зольные остатки
могут служить теплоносителем для нагрева дутьевого воздуха (регенеративное использование) или для получения, например, горячей
воды для теплоснабжения предприятия и населенных пунктов. Достаточно востребованными остаются также решения по эффективному
использованию теплоты охлаждения элементов футеровки высокотемпературных плавильных камер. В ряде случаев это может быть
связано с нагревом дутьевого воздуха или (чаще) с применением испарительного охлаждения и получением водяного пара с приемлемыми для последующего использования параметрами.
Таким образом, в настоящее время используется или могут быть
использованы все тепловые отходы высокотемпературного производственного процесса. В связи с этим следует говорить об энергетическом КПД более широкой по набору устройств технической системы
– высокотемпературного теплотехнологического агрегата (ВТТА).
В результате по аналогии с (6.2) энергетический КПД агрегата в
общем виде запишется:
−+−−−
QQQ
)1()1()1(
γβα
ОСШООГ
, (6.3)
где
аэ
−=
1
ХТ
ЭКЗ
n
∑
1
⋅++
qNQQ
ээni
– коэффициенты использования соответствующего тепло-
вого отхода производственного процесса.
Уравнение (6.3) носит формальную аналогию с уравнением (6.2),
поскольку, как будет показано ниже,
Q
при использовании теплоты
отходящих дымовых газов для нагрева дутьевого воздуха будет
92
меньше, чем в уравнении (6.2). Кроме того, имеют место предпосылки для повышения производительности ВТТУ.
С позиций повышения энергоэффективности наилучшие результаты могут быть достигнуты при использовании теплоты отходящих
из рабочего пространства ВТТУ дымовых газов по замкнутой регенеративной или разомкнутой энергетической схемам (терминология
проф. Семененко Н.А.). Выводы по результатам сопоставления этих
вариантов сохраняются в принципиальной части для аналогичных ва-
риантов использования
Q
ШО
и
Q
(пояснения к уравнению (6.2)).
ОС
С учетом технологических особенностей ВТТУ могут осуществляться схемы включения рекуператоров и котлов-утилизаторов, представленные на рисунке 6.1(а, б, в). Схема 6.1, а применяется в случаях,
когда по условиям технологии требуется высокотемпературный подогрев воздуха (высокая температура продуктов сгорания топлива в рабочей камере). Особое внимание должно быть обращено на жаростойкость материала рекуператора вплоть до перехода на теплообменники
регенеративного типа (насадочные). Организация схемы по варианту
рисунка 6.1, б целесообразна в тех случаях, когда можно подогревать
воздух до умеренных температур (300-400 °С), а отходящие дымовые
газы имеют высокое содержание технологического уноса. Установка
котла-утилизатора по этой схеме обеспечивает более интенсивный
теплообмен со стороны дымовых газов за счет радиационной составляющей и возможность улавливания уноса. В отдельных случаях может оказаться целесообразным применение комбинированных рекуператоров (радиационная и конвективная части по схеме рис. 6.1, в).
Окончательное решение по одному из приведенных вариантов или по
более сложной схеме может быть принято на основе обстоятельного
анализа с проведением соответствующих расчетов. Основополагающим моментом такого анализа является обеспечение наилучших условий технологического процесса (условия сопоставимости) при максимально достижимом показателе энергоэффективности.
93
аэ
η
η
Р и с. 6.1. Схемы включения рекуператоров и котлов
утилизаторов в состав ВТТА:
I – высокотемпературная камера; II – рекуператор; III – котел-утилизатор; IV – дымосос
Наиболее простым вариантом повышения эффективности ВТТУ
является использование теплоты отходящих газов для получения дополнительной энергетической продукции (пар или горячая вода). В
этом случае не меняются условия ведения основного производственного процесса и расход технологического топлива. Вместе с тем повышается энергетический КПД ВТТА. Если вернуться к структуре
уравнения (6.3), то
повышается на величину:
⋅
Q
α
η
аэ
−=∆
1
ХТ
ЭКЗ
ОГ
n
∑
1
. (6.4)
⋅++
qNQQ
ээni
По прямому балансу энергетический КПД ВТТА составит:
⋅++−
QQQQ
α
n
1
ОГЭНД
. (6.5)
⋅++
qNQQ
ээni
ХТ
ТМТП
ЭКЗ
∑
94
аэ
=
Одновременно с оценкой энергоэффективности ВТТА может
В
∆
н
ЗАМ
η
ЗАМун
быть определена экономия топлива
в так называемой замещаемой
установке (специально созданная установка для получения пара с
определенными параметрами или подогрева воды).
α
Q
⋅
ОГ
, (6.6)
Э
у
η
⋅
ЗАМ
н
где
В
=∆
Q
у
Q
– теплота сгорания условного топлива, 29,3 МДж/кг;
Э
– энергетический коэффициент полезного использования
теплоты топлива (нетто) в замещаемой установке.
В случае, когда энергетическая продукция, полученная за счет
использования тепловых отходов ВТТУ, замещает аналогичную продукцию теплоэлектроцентрали (ТЭЦ), в [7] справедливо рекомендуется экономию топлива оценивать с учетом ухудшения энергетических характеристик источника:
Q
В
=∆
Q
ОГ
−⋅
)1(
βα
Э
η
⋅
, (6.7)
где β – 0,2-0,4 – коэффициент, учитывающий ухудшение энергетических характеристик ТЭЦ при замещении отборного пара турбин.
Важно заметить также, что внешнее (разомкнутое) использование
теплоты отходящих газов ВТТУ может не ограничиваться получением
энергетической продукции. При комбинировании различных технологических процессов отходы теплоты одного (головного) технологического процесса могут служить источником энергии для осуществления
другого – последующего. К примеру, отходящие газы ВТТУ могут
быть использованы для сушки технологического сырья другого технологического процесса. В этом случае оценивается экономия топлива
(6.6) с учетом энергетического КПД соответствующего производственного процесса.
Для выявления энергоэффективности варианта замкнутого регенеративного использования теплоты отходящих газов и сопоставления его с внешним энергетическим используется ряд условий. Во-
95
первых, принимается постоянным значение
ТМ
ТМ
b
н
г
м
(
)
α
Q⋅
(уравнение (6.5)),
ОГ
что соответствует равенству в сравниваемых вариантах
ратуры дымовых газов на выходе из рабочей камеры, и
t
– темпе-
ОГ
t
– темпера-
ух
туры уходящих дымовых газов. Во-вторых, вариант с подогревом дутьевого воздуха сравнивается по балансу теплоты с вариантом с хо-
лодным дутьем при неизменных
ТМТП
QQQQQ ,,,,
(уравнение
ШОЭКЗЭНД
6.2). При таком подходе для металлонагревательной ВТТУ
(
Q
ЭКЗ
чей камере
где
соответственно
0=
;
Q
ЭНД
Q
G
– производительность ВТТ,
0
=
;
Q
на холодном дутье, запишется:
0
0=
) количество теплоты, освоенной в рабо-
р
VQbGQ ⋅⋅−⋅⋅=
0
нТМ
времениедт .
с
,
оггг
)(
t
;
– удельный расход топлива с удельной теплотой сгорания
ткг
и
кгкДж
;
Q
р
,
V
– объем продуктов сгорания при принятом коэффициенте рас-
хода воздуха,
с
– удельная (на
г
ния,
3
кгм
;
3
) изобарная теплоемкость продуктов сгора-
3
грмкДж ⋅
.
То же количество теплоты на горячем дутье:
где
'
0
'
''bGТМ⋅
– соответствующие показатели (производительность и
р
нТМ
р
нТМ
)[('
tсVQbG
⋅⋅−⋅⋅=
уггг
)]()[('
tсVtсVtсVQbGQ
=⋅⋅−⋅⋅+⋅⋅−⋅⋅=
угггогггоггг
, (6.8)
удельный расход топлива) для технологического процесса на горячем
дутье.
Из уравнений (6.7) и (6.8) получаем:
р
G
'
ТМ
bb
G
'
ТМ
⋅⋅=
VQ
н
р
VQ
н
t
с
⋅⋅−
оггг
. (6.9)
t
с
⋅⋅−
уггг
Уравнение (6.9) позволяет наглядно видеть, что удельный расход
технологического топлива на горячем дутье уменьшается как вследствие более глубокого технологического использования теплоты ды-
96
мовых газов (
ТМ
ТМ
УГ
tt <
), так и в связи с увеличением производитель-
ОГ
ности огнетехнической установки (
'
GG >
). Последнее обстоя-
тельство является следствием увеличения температурного уровня в
рабочей камере и соответственно полезного тепловосприятия. Факторы, влияющие на энергоэффективность варианта замкнутого регенеративного использования теплоты отходящих газов, весьма многочисленны и выявляются при конструкторском тепловом расчете рекуператора, начиная с сопоставления схемы конструкции и выбора
материала для изготовления. Важно отметить влияние соотношения
расходов дымовых газов и дутьевого воздуха, которое зависит от вида технологического топлива и его балластных компонентов (влажность, содержание диоксида углерода и азота). Все это в конечном
итоге проявляется в уравнениях теплового баланса и теплопередачи
для рекуператора и при определении коэффициентов теплопередачи.
Аналогичным образом решается задача выявления влияющих факторов при сопоставлении вариантов включения в схему ВТТА паровых
и водогрейных котлов, а также для комбинированных систем использования теплоты отходящих дымовых газов (рис. 6.1).
В заключение отметим некоторые современные решения по повышению энергоэффективности ВТТУ.
6.2. ТЕРМИЧЕСКАЯ РЕГЕНЕРАЦИЯ –
ПОДОГРЕВ КОМПОНЕНТОВ ГОРЕНИЯ
Наиболее часто применяемым в промышленности способом регенерации теплоты отходящих дымовых газов является термическая
регенерация – подогрев воздуха и/или топлива, идущего на горение.
В результате чего, увеличивается КПД установки, а, следовательно,
осуществляется экономия топлива. Чтобы часть тепла дымовых газов
возвратить в рабочее пространство печи, необходимо тепло, отобранное в теплообменнике, передать воздуху и/или топливу, подаваемых в
теплотехнологическую установку для горения. Подобным образом, с
97
передачей тепла воздуху или газообразному топливу, работают теп-
д
врн
лообменники рекуперативного и регенеративного типа.
Предварительный подогрев одного из компонентов горения оказывает значительное влияние на скорость и температуру горения, которые значительно увеличиваются с увеличением предварительного
подогрева одного из компонентов.
Величину экономии топлива в зависимости от его теплоты сгорания и различных температурных условий работы печи и рекуператора
можно определить по следующей формуле:
H
Р−+=
в
, (6.10)
HHQ
где Р – экономия топлива, по отношению к расходу топлива при работе печи без подогрева воздуха, %;
Н
– энтальпия подогретого воздуха, кДж/м3;
в
Н
– энтальпия дымовых газов на выходе из печи, кДж/м3;
д
р
Q
– низшая теплота сгорания топлива, кДж/м3.
н
Отношение энтальпии подогретого воздуха к энтальпии отходящих дымовых газов называют степенью рекуперации (регенерации)
тепла.
На рис. 6.2 изображен график экономии топлива, получаемой при
подогреве воздуха в рекуператорах в случае сжигания природного газа. Как показывает график, при подогреве воздуха до 300-350 °С, который можно осуществить в рекуператорах обычного типа, экономия
топлива в нагревательных печах (
tд
= 1200 °C) при сжигании природного газа достигает 20-25 %. В термических камерных печах при подогреве воздуха до 300-350 0С получают экономию топлива 15-20%.
Принципиальная схема теплотехнологической установки с регенеративным теплоиспользованием приведена на рис. 6.3. В данной
схеме происходит нагрев обоих компонентов горения: воздуха и природного газа.
98
Р и с. 6.2. Экономия топлива при подогреве воздуха в теплотехнологических
установках, сжигающих природный газ с теплотой сгорания 35820кДж/м3 при
коэффициенте избытка воздуха α=1,1 в зависимости от температуры отходящих
дымовых газов [16]
После теплотехнологической установки 1 отходящие дымовые
газы разделяют на два потока. Первый поток направляют в подогреватель природного газа 2, в котором происходит нагрев природного
газа и охлаждение дымовых газов. Второй поток направляют в воздухоподогреватель 3, в котором происходит нагрев воздуха и охлаждение дымовых газов. Уходящие дымовые газы после элементов 2 и 3
через дымовую трубу выбрасываются в атмосферу.
Наиболее частым способом регенеративного теплоиспользования
является подогрев воздуха перед горением. Подогрев топлива не
нашел широкого применения в промышленности по следующим причинам:
99
а) при подогреве природного газа до температур выше
250…300 °С становится возможным протекание реакции крекинга
метана:
СН4 = С + Н
– 74,8 кДж/моль. (6.11)
2
Р и с. 6.3. Принципиальная схема теплотехнологической установки
с регенеративным теплоиспользованием
за счет подогрева компонентов горения:
1 – теплотехнологическая установка; 2 – подогреватель природного газа;
3 – воздухоподогреватель; а – отходящие дымовые газы; b – холодный воздух;
с – горячий воздух; d – холодный природный газ; е – горячий природный газ;
f – уходящие дымовые газы
В результате отложения сажистого углерода снижается и без того
низкий коэффициент теплопередачи, что в свою очередь приводит к
снижению эффективности работы теплообменного аппарата – подогревателя топлива. Влияние сажистого углерода на коэффициент теплопередачи хорошо иллюстрируется следующим выражением:
100
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]