Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Утилизация вторичных энергоресурсов в системах ТГВ. Расчет рекуперативных теплообменных аппаратов. Учебно-методическое пособие.pdf
- комбинированное — использование тепловой и электрической (или
механической) энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР в
утилизационных установках (утилизационных ТЭЦ) по теплофикационному
циклу.
Рисунок 1.1 - Принципиальная схема использования энергоресурсов
11
При употреблении энергии и материалов в технологических процессах, на
вспомогательные нужды или в сфере услуг, потенциал энергоносителей
используется не полностью. Та часть энергии, которая прямо или косвенно не
используется как полезная для выпуска готовой продукции или услуг,
называется энергетическими отходами. Общие энергетические отходы равны
разности между энергией, поступающей в технологический аппарат, и полезно
используемой энергией.
Общие энергетические отходы разделяют на три вида:
- неизбежные потери в технологическом агрегате или установке;
- энергетические отходы внутреннего использования, которые возвращаются
обратно в технологический агрегат (установку) за счет регенерации или
рециркуляции и в результате этого сокращают количество подведенной
первичной энергии при неизменной величине поступления энергии в
технологический агрегат;
- энергетические отходы внешнего использования, представляющие собой
вторичные энергетические ресурсы;
- энергетический потенциал отходов продукции, побочных и промежуточных
отходов, образующихся в технологических установках (системах), который не
используется в самой установке, но может быть частично или полностью
использован для энергоснабжения других установок.
Технологический агрегат или установка, являющаяся источником отходов
энергии, которую можно использовать как полезную, называется агрегатом –
источником или установкой вторичных энергетических ресурсов (ВЭР).
Выработка энергоносителей за счет снижения энергетического потенциала
носителя ВЭР осуществляется в утилизационной установке.
Возможности экономии тепловой и электрической энергии
многообразны и значительны. В частности, большую экономию топлива может
дать утилизация ВЭР - энергетических отходов того или иного
технологического процесса, которые нельзя использовать для него, но можно
использовать для внешних потребителей.
12
Использование вторичных энергоресурсов для теплоснабжения
промышленных зданий приобретает все большее значение и масштабы.
Экономически это вполне оправдано. Степень использования так называемых
«горючих» вторичных энергоресурсов, тепловых выбросов из промышленных
печей, теплоэнергетических установок, систем отопления, вентиляции и
кондиционирования воздуха превышает 90%. Годовой объем «тепловых»
вторичных энергоресурсов в России составляет более 4,5 млрд.ГДж, из них
более половины относится к высокопотенциальным вторичным энергоресурсам
- это теплота продуктов производства, теплота уходящих газов, энергия
избыточного давления газов и другие низкопотенциальные вторичные
энергоресурсы: теплота промышленных стоков, конденсата, уходящих газов
(t>300C), оборотного водоснабжения, вентиляционных выбросов,
биологическая теплота животных и др. Во всех случаях экономическая задача
заключается в том, чтобы, в первую очередь, использовать те источники
вторичных энергоресурсов, при которых эффект будет наибольшим. Среди
множества тепловых вторичных энергоресурсов, образующихся при работе
технологических установок и энергетического оборудования на промышленных
предприятиях, в источниках теплоты можно выделить основные, для
использования которых необходима установка теплоутилизационного
оборудования: теплота уходящих дымовых газов котлоагрегатов, печей и
других топливоиспользующих установок; теплота сжатого воздуха
компрессорных (нагнетательных) установок; теплота охлаждающей воды и
других жидкостных потоков (в том числе загрязненных сточных вод) от
технологического оборудования; теплота парогазовых потоков от сушильных
установок; теплота вытяжного воздуха систем вентиляции и
кондиционирования воздуха и некоторые другие.
Энергетический потенциал отходов и продукции классифицируется по
запасу энергии в виде химически связанной теплоты (горючие ВЭР),
физической теплоты (тепловые ВЭР), потенциальной энергии избыточного
давления (ВЭР избыточного давления). Потенциал горючих ВЭР
13
характеризуется низшей теплотой сгорания Qn, тепловых - перепадом
энтальпий h, избыточного давления — работой изоэнтропного расширения L.
Во всех случаях единицей измерения энергетического потенциала является
3
кДж/кг, или кДж/м
.
Горючие ВЭР (ГВЭР) - горючие газы плавильных печей; горючие отходы
процессов химической и термической переработки углеродного или
углеводородного сырья, непригодные для дальнейшей технологической
переработки; отходы деревообработки; абсорбционный газ при производстве
мономеров для синтетических каучуков; оксидно-углеродистая фракция в
производстве аммиака и т.д.
Тепловые ВЭР (ТВЭР) - физическая теплота уходящих газов
технологических агрегатов (производственные печи, двигатели внутреннего
сгорания), физическая теплота основной, побочной, промежуточной продукции
и отходов основного производства (кокс, металл в металлургических процессах
и т.д.), теплота рабочих тел систем принудительного охлаждения
технологических агрегатов и установок (испарительное или водяное
охлаждение печей, двигателей внутреннего сгорания и др.), теплота горячей
воды, отработанной в технологических тепловых установках.
ВЭР избыточного давления - потенциальная энергия газов и жидкостей,
идущих из технологического агрегата с избыточным давлением, которое
необходимо снижать перед очередной ступенью использования этих газов и
жидкостей или при выбросе их в атмосферу.
ВЭР могут применяться по следующим направлениям:
- топливному - с использованием не пригодных к дальнейшей переработке
горючих отходов в качестве топлива;
- тепловому (холодильному) - с использованием теплоты уходящих газов печей
и котлов, теплоты основной, промежуточной и побочной продукции,
отработанной теплоты горячих воды, пара и воздуха, и ВЭР избыточного
давления;
14
- силовому - с использованием механической и электрической энергии,
вырабатываемой за счет ВЭР;
- комбинированному - для производства теплоты (холода), электрической или
механической энергии.
ГВЭР обычно используются как топливо с широким диапазоном
возможностей.
Способы использования ТВЭР зависят от их вида и других факторов.
ТВЭР могут быть в виде пара давлением от 0,25 до 4,5 МПа или воды с
температурой от 40 до 150
о
С. При их утилизации необходимо стремиться рядом
с отпуском тепловой энергии предусмотреть возможность получения силовой.
Утилизация должна быть по возможности полной в течении года и в то же
время экономически оптимальной.
Утилизации ТВЭР технологического процесса предшествует
использование возможности возвращения отводимой теплоты обратно в
основной процесс с соответствующим повышением его теплового к.п.д., что
называется регенерацией теплоты. Для этого служат экономайзеры паровых
котлов, регенераторы и рекуператоры промышленных печей, теплообменники
для регенерации теплоты вентиляции.
Использование ТВЭР дополняет регенерацию первоочередного тепла, и
только остаточную теплоту после регенерации стоит рассматривать в
качестве ТВЭР.
За паровым котлом устанавливают водяной или воздушный экономайзер
для работы на уходящих газах. В результате уходящая теплота возвращается в
основной процесс с питательной водой или воздухом горения для снижения
расхода топлива в топке, что является регенерацией теплоты. За
экономайзером, нагревающим питательную воду, может размещаться
теплофикационный экономайзер для нагрева сетевой воды системы
теплоснабжения или контактный для горячего водоснабжения. Это уже будут
устройства для использования ТВЭР.
15
За промышленными печами монтируются теплообменники-регенераторы,
рекуператоры для нагрева дутьевого воздуха уходящими газами, причем в печь
возвращается часть теплоты последних, то есть имеет место регенерация.
Установленные после (вместо) них водяные экономайзеры, обслуживающие
внешних потребителей, являются утилизаторами ТВЭР.
Подогрев приточного воздуха вытяжным воздухом вентиляции — это
регенерация теплоты, снижающая ее расход в основном процессе,
использование же этой теплоты как ТВЭР исключается из-за низкой
температуры вытяжного воздуха.
1.2 Основные показатели использования вторичных энергоресурсов
При разработке предложений и проектов по утилизации энергетических
отходов необходимо знать выход ВЭР. Различают удельный и общий выход
ВЭР [1, 4].
Удельный выход ВЭР рассчитывают или в единицу времени (1 ч) работы
агрегата - источника ВЭР, или в показателях на единицу продукции.
Удельный выход горючих ВЭР определяется по формуле
q
Г
=mQn,
(1.1)
где m - удельное количество энергоносителя в виде твердых, жидких или
3
газообразных продуктов, кг(м
)/ед. продукции или кг(м3)/ч.
Удельный выход тепловых ВЭР определяется по соотношению
T
q
=mh=m(cp1t1-cp2t2), (1.2)
где t
с
t
- температура энергоносителя на выходе из агрегата - источника ВЭР, °С;
1
- теплоемкость энергоносителя при температуре t1 (кДж/кг или кДж/м3);
р1
- температура энергоносителя, поступающего на следующую стадию
2
технологического процесса после утилизационной установки, или температура
окружающей среды,
о
С;
16
ср2 - теплоемкость энергоносителя при температуре t2.
Удельный выход ВЭР избыточного давления рассчитывается по формуле
И
q
=mL, (1.3)
где L - работа изоэнтропийного расширения энергоносителя, кДж/кг.
Общий выход ВЭР за рассматриваемый период времени (сутки, месяц,
квартал, год) определяют исходя из удельного или часового
Q
B=qyд
П, (1.4а)
или
Т, (1.4б)
П=qЧ
где q
Q
- удельный выход ВЭР, кДж/ед. продукции;
уд
П - выпуск основной продукции или расход сырья, топлива, к которым отнесен
за рассматриваемый период, ед. продукции;
q
уд
- часовой выход ВЭР, кДж/ч;
q
ч
Т - время работы агрегата — источника ВЭР за рассматриваемый период, ч.
Только часть энергии из общего выхода ВЭР может быть использована как
полезная. Поэтому для оценки реального потенциала, пригодного к
использованию, рассчитывают возможную выработку энергии за счет ВЭР.
Возможная выработка теплоты в утилизационной установке за счет ВЭР для
нагрева энергоносителей пара или горячей воды за рассматриваемый период
времени рассчитывается по формуле
Q
где h
источника ВЭР, кДж/(кг⋅м
h
установки, кДж/кг(м
- энтальпия энергоносителя на выходе из технологического агрегата -
i
3
);
- энтальпия энергоносителя при температуре t2 на выходе из утилизационной
2
3
);
=mП(h1-h2)B(1-X), (1.5)
T
17
B - коэффициент, учитывающий несоответствие режима и числа часов работы
утилизационной установки и агрегата - источника ВЭР (B изменяется в
пределах от 0,7 до 1,0);
X - коэффициент потерь энергии в окружающую среду утилизационной
установкой и на тракте между агрегатом - источником ВЭР и утилизационной
установкой (X принимает значения от 0,02 до 0,05).
Возможную выработку теплоты в утилизационной установке можно также
определить по формуле
где F
Q
- КПД утилизационной установки.
y
Т=QBFy
, (1.6)
Теплота, выработанная в утилизационной установке, может
использоваться не полностью, что характеризуется коэффициентом
использования выработанной теплоты
S=Q
И/QT,
(1.7)
где Q
- использованная теплота (S может изменяться от 0,5 до 0,9).
И
Возможная выработка электроэнергии в утилизационной турбине за счет
избыточного давления определяется выражением
где F
W=ПmLF
- относительный внутренний КПД турбины;
ОТ
OTFMFГ
, (1.8)
- механический КПД турбины;
F
М
F
- КПД электрогенератора.
г
Варианты решения хозяйственных задач должны в первую очередь
соответствовать социально-экономической эффективности. Обязательно
соблюдение экологических требований. Экономическая эффективность
сравнивается для вариантов, удовлетворяющих этим требованиям.
18
Социальная и экологическая эффективность использования ВЭР очевидна
и заключается в сохранении невозобновляемого топлива, в уменьшении
загрязнения атмосферы, снижении издержек и улучшении условий труда,
разгрузке транспорта.
В целом тепловые вторичные энергоресурсы по температурному
потенциалу можно разделить на низкопотенциальные, используемые в
системах отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха, и
высокопотенциальные, которые утилизируются в основном в системах
теплоснабжения.
1.3 Классификация теплоутилизаторов, используемых в системах
отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха
Теплоутилизационные установки, предназначенные для восприятия
тепловой энергии от ВЭР, можно разделить на два вида: тепловые насосы,
обеспечивающие увеличение потенциала рабочего вещества и
теплоутилизаторы-теплообменники непосредственного действия.
Теплоутилизаторы - теплообменники могут использоваться только в том
случае, когда потенциал ВЭР выше потенциала той среды, которой передается
тепловая энергия. Теплоутилизаторы - теплообменники, функционирующие в
системах вентиляции и кондиционирования воздуха, можно условно
подразделить на следующие группы [2, 4, 6, 7]:
1) теплоутилизаторы с промежуточным теплоносителем;
2) регенеративные теплоутилизаторы;
3) рекуперативные теплоутилизаторы;
4) контактные теплоутилизаторы.
При всем многообразии конструктивных решений утилизаторов тепла, в
каждом из них можно выделить следующие элементы: среда - источник
тепловой энергии; среда - потребитель тепловой энергии; теплоприемник теплообменник, который воспринимает тепло от источника; теплопередатник теплообменник, передает тепловую энергию потребителю; рабочее вещество,
19
транспортирует тепловую энергию от источника к потребителю. В
регенеративных и рекуперативных теплоутилизаторах рабочим веществом
являются сами среды, обменивающиеся теплотой.
Все категории теплоутилизаторов обладают такими преимуществами:
- высокая экономичность, благодаря снижению расходов на эксплуатацию;
- уменьшение нагрузки на окружающую среду благодаря снижению
энергопотребления;
- снижение расходов предприятия за счет уменьшения расходов на отопление и
кондиционирование.
1.4 Рекуперативные теплоутилизаторы
Рекуператор — это теплообменник, в котором тепло передается от одного
теплоносителя к другому [2, 4]. При этом передача тепла происходит через
разделительные стенки, что в свою очередь полностью исключает
непосредственное взаимодействие теплоносителей.
На протяжении многих лет рекуператор активно применяется во многих
странах. Данное устройство имеет массу преимуществ, таких как:
- доступная стоимость;
- экономия средств и снижение расходов на отопление и кондиционирование до
50%;
- простой монтаж;
- наличие системы фильтрации;
- низкие расходы на использование и обслуживание;
- долгий срок службы.
Рекуперативные теплоутилизаторы можно разделить по виду
теплоносителя на воздухо-воздушные и жидкостно-воздушные. В свою очередь
воздухо-воздушные рекуператоры разделяются по конструктивным признакам
на пластинчатые и кожухотрубные. Пластинчатые существуют с гладкими, а
также различных форм каналами (треугольными, П-образными, U-образными).
Кожухотрубные конструктивно состоят из пучка труб, которые помещены в
20