ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЕ / Energosberezhenie_2005

210

Комбинированное – использование тепловой и электрической (или механической) энергии, одновременно вырабатываемых за счет ВЭР в утилизационных установках (утилизационных ТЭЦ) по теплофикационному циклу.

7.4. Определение выхода вторичных энергорсурсов

Выход и возможное использование ВЭР обычно рассчитываются в удельных показателях на единицу продукции (например, на 1 т, на 1 тыс. шт., на 1 млн дкл и т.п.). Однако следует отметить, что наряду с оценкой выхода ВЭР в единицах объёма или массы широко используются удельные показатели в энергетических единицах (например кВтч/м3, Гкал/т и т.п.). Удельные показатели выхода ВЭР и их использования относятся к единице продукции основного производства в монопродуктовом производстве или к единице расхода сырья (топлива) в многопродуктовом производстве.

Удельный выход ВЭР (энергетический) определяется произведением удельного количества энергоносителя на его энергетический потенциал. Для измерения количества энергоносителя обычно принимают удобные единицы массы (килограмм, тонна), а оценку его объема ведут, как правило, в кубических метрах при нормальных условиях.

Располагаемая энергия ВЭР (энергетический потенциал энергоносителей), кДж/кг, определяется:

- тепловых ВЭР – перепадом энтальпий h = hВЭР – hокр;

-горючих ВЭР – низшей теплотой сгорания Q рн ;

-для ВЭР избыточного давления – работой изоэнтропного расширения l0 от давления за ТА p”ТА до давления окружаю-

щей среды pатм ;

Таким образом, удельный выход ВЭР определяется:

- для тепловых ВЭР

qудВЭР = mВЭР h;

- для ВЭР избыточного давления (силовых ВЭР)

qсВЭР = mВЭР l0 ;

211

- для горючих ВЭР

qудВЭР = mВЭР Q рн ,

где mВЭР – удельное количество энергоносителя в виде твердых, жидких или газообразных продуктов.

Часто выход горючих ВЭР выражают в килограммах или тоннах условного топлива, тогда для горючих ВЭР

qудВЭР = mВЭР (Q рн / Qут),

где Qут – теплота сгорания условного топлива, равная 29300 кДж/кг

(7 Гкал/т ).

Удельное количество энергоносителя mВЭР определяется по итогам материального и энергетического баланса агрегата-источника ВЭР, сформированного:

-по энерготехнологическим характеристикам, определенным при его проектировании;

-данным технических (технологических) регламентов производства;

-результатам наладочных испытаний ТА;

-показателям специально организованного приборного обследования с учетом данных материально-технического учета сырья, энергии и продукции, а также платежных документов (накладные и счета-фактуры) коммерческой деятельности предприятия.

Низшая теплота сгорания горючих ВЭР определяется опытным путем или расчетным методом по их химическому составу.

Перепад энтальпий h для тепловых ВЭР в общем случае определяется по формуле

h = hВЭР – hокр= с1 tВЭР – с2 tокр ,

где tВЭР – температура энергоносителя на выходе из агрегатаисточника ВЭР, °С;

с1 – теплоемкость энергоносителя при tВЭР (для газов принимается при постоянном давлении), кДж/(кг·°С);

tокр – температура энергоносителя при поступлении его на следующую стадию технологического процесса, либо температура ок-

212

ружающей среды (обычно принимается равной нулю);

с2 – теплоемкость энергоносителя при температуре tокр.

Работа изоэнтропного расширения, кДж/кг, для жидкостей определяется из выражения

l0 = (p”ТА - pатм)/ρ,

где p”ТА – давление жидкого энергоносителя на выходе из технологического агрегата, кПа;

pатм – давление энергоносителя при поступлении на следующую ступень использования или давление окружающей среды при выбросе энергоносителя в атмосферу;

ρ– плотность жидкости, кг/м3. Для газообразных энергоносителей

l0 = k/(k-1) R [1- (pатм /p”ТА)(k-1)/k],

где k = cp /(cp - R) – показатель изоэнтропы;

cp – теплоемкость газа при постоянном давлении; R– газовая постоянная, кДж/(кг·°С).

Выход ВЭР определяется рядом факторов технологического характера, поэтому в общем случае суточный график выхода ВЭР отличается значительной неравномерностью. В этой связи различают показатели удельного выхода: максимальный, минимальный (гарантированный) и средний. В расчетах обычно определяют средний выход ВЭР.

Для учета и планирования использования ВЭР необходимо знать объем выхода ВЭР за рассматриваемый период (месяц, год), который определяется по формуле

QВЭР = qудВЭР M = qчасВЭР τ,

где qудВЭР – удельный выход ВЭР;

М – выпуск основной продукции (или расход сырья, топлива), к которой отнесен удельный выход ВЭР, за рассматриваемый период;

qчасВЭР – часовой выход ВЭР;

τ - число часов работы агрегата в рассматриваемый период. Возможное использование горючих ВЭР в качестве топлива в

большинстве случаев равно их выходу. Однако в некоторых случаях

213

возникают неизбежные потери ВЭР, обусловленные особенностями технологического процесса, а также условиями их утилизации или предварительной подготовки (очистки, аккумуляции и т. п.). В этих случаях возможное использование ВЭР меньше их выхода на величину неизбежных потерь. Что же касается тепловых ВЭР, утилизируемых с преобразованием энергоносителя, то для них возможное использование равно возможной выработке энергии за счет ВЭР в утилизационной установке.

7.5.Определение экономии топлива за счет использования вторичных энергоресурсов

В любых вариантах утилизации ВЭР основой эффективности их использования является достигаемая при этом экономия первичного топлива и обеспечиваемая за этот счет экономия затрат по добыче и транспорту топлива. Условием определения экономической эффективности использования ВЭР является правильное определение вида

иколичества топлива, которое экономится при утилизации ВЭР в народном хозяйстве.

Экономия топлива зависит от направления использования ВЭР

исхемы энергоснабжения предприятия, на котором они используются. При тепловом направлении использования ВЭР экономия топлива определяется расходом топлива в основных (замещаемых) энергетических установках на выработку такого же количества тепла (при одинаковых параметрах), что получено за счет ВЭР. При силовом направлении использования ВЭР экономия топлива определяется затратами его на выработку в основных энергетических установках количества электроэнергии, равного выработке её в утилизационных установках.

При тепловом направлении использования ВЭР и раздельной схеме энергоснабжения предприятия экономия топлива, т у.т., определяется по формулам:

–при выработке тепла или непосредственном использовании ВЭР

Вэк = bзQтσ = bзQи ;

214

– выработке холода

Вэк = bз Qх ε ,

bз = 0,0342ηзам ,

где Qт – тепловая энергия, выработанная в утилизационной установке за счет ВЭР, ГДж;

Qи – часть полезно использованной тепловой энергии Qт, ГДж; s – коэффициент использования тепла, выработанного в ути-

лизационной установке;

Qх – тепловая энергия при выработке холода за счет ВЭР, ГДж; e – холодильный коэффициент;

bз – удельный расход топлива на выработку тепла в замещаемой котельной установке, т/ГДж;

0,0342 – коэффициент эквивалентного перевода 1 ГДж в тонну условного топлива;

ηзам – КПД «замещаемой» энергетической установки, с показателями которой сопоставляется эффективность использования ВЭР (промышленные котельные, ТЭЦ и др.)

Коэффициент s, представляющий собой долю используемого потребителями тепла, выработанного утилизационной установкой, в значительной мере зависит от несовпадения режимов выхода ВЭР и потребления утилизационного тепла в час, сутки, год. Путем соответствующего подбора потребителей и их кооперирования следует обеспечивать максимальное использование тепла, вырабатываемого за счет ВЭР, и повышение величины s до единицы.

При силовом направлении использования ВЭР экономия топлива составляет

Вэк = bэW ,

где bэ – удельный расход топлива на выработку электроэнергии в энергетической системе или на замещаемой установке, г/кВт×ч;

W – выработка электроэнергии или механической работы утилизационными установками за счет ВЭР, кВт×ч.

Аналогично при комбинированном направлении использования ВЭР и комбинированной схеме энергоснабжения предприятия эко-

215

номия топлива за счет ВЭР может быть определена по формуле

где Qт – энергия пара теплоутилизационных установок, поступающего на утилизационную турбину, ГДж;

Эу, qту – соответственно удельная выработка электроэнергии и удельный расход тепла на выработку электроэнергии на утилизационной ТЭЦ;

Э, qт – то же на замещаемой ТЭЦ.

При топливном направлении использования горючих ВЭР экономия топлива может быть определена из выражения

Вэк = 0,0342Qи ηВЭР = Bи ηВЭР ,

ηт ηт

где Qи – тепловая энергия, полученная от использования горючих ВЭР, ГДж;

Bи – то же в условном топливе;

ηВЭР,ηт – КПД топливоиспользующего агрегата при работе на горючих ВЭР и на первичном топливе соответственно.

Отношение ηВЭР/ηт зависит от физических свойств горючих ВЭР. Для высококалорийных ВЭР это отношение в большинстве случаев может быть принято равным единице.

По приведенным формулам можно определять экономию топлива по всем категориям использования ВЭР (возможная, экономически целесообразная, планируемая и фактическая).

По результатам расчетов экономии топлива за счет использования ВЭР определяется коэффициент утилизации, характеризующий степень использования отдельных видов ВЭР на предприятии.

7.6. Причины недостаточного уровня использования вторичных энергоресурсов

Для промышленности Российской Федерации в целом при современных методах утилизации и направлениях использования ВЭР

216

характерны еще значительные потери от их недоиспользования. Горючие ВЭР используются лучше, чем тепловые. Наряду с неполной утилизацией тепловых ВЭР в промышленности, значительны потери утилизационного пара. До 2,5 % выработанного в утилизационных установках пара безвозвратно теряется из-за плохой организации его использования на промышленных предприятиях. Низкий уровень использования тепловых ВЭР вызван следующими причинами:

-недостаточной оснащенностью агрегатов-источников ВЭР утилизационными установками;

-отсутствием постоянных потребителей низкопотенциального тепла, вырабатываемого утилизационными установками;

-трудностью аккумулирования и низкой транспортабельностью ВЭР;

-значительными изменениями (пульсациями) выхода ВЭР в процессе работы технологических агрегатов;

-недостаточно эффективным использованием установленного утилизационного оборудования;

-отсутствием эффективных систем очистки дымовых газов промышленных печей от механических загрязнений, а поверхностей утилизаторов от интенсивного заноса пылью;

-отсутствием серийно выпускаемых промышленностью ути-

лизационных установок, работающих на сравнительно низких выходах ВЭР (до 1000…3000 м3/ч уходящих газов);

-отсутствием крупных потребителей низкопотенциального тепла (с температурой 270…420°С), которые могли бы использовать эту энергию независимо от сезона года;

-недостатками в работе действующего и устанавливаемого утилизационного оборудования;

-отсутствием в ряде случаев эффективных технических решений для использования тепловых и горючих ВЭР;

-сезонным характером потребления утилизационного пара в отопительных системах;

-упущениями в организации учета, недостатками в отчетности и слабым контролем за использованием ВЭР;

-отсутствием места для установки утилизационного оборудования в ряде случаев по условиям компоновки;

-быстрым износом утилизационного оборудования при работе в агрессивных средах;

217

-значительным материальным и моральным износом эксплуатирующегося технологического оборудования и отсутствием запасных частей, необходимых для их ремонта;

-отсутствием материального стимулирования производствен-

ного персонала за использование ВЭР и др.

Очевидно, что проблема эффективного использования ВЭР должна решаться с единых позиций для комплекса промышленных предприятий, размещенных в конкретном территориальном районе, с учетом непроизводственной потребности района в энергоносителях. Отсюда следует, что территориальные диспропорции в размещении промышленных предприятий-производителей и потребителей ВЭР – усугубляют перечисленные трудности. Актуальным является взаимное кооперирование предприятий по вопросам использования ВЭР, что могло бы обеспечить значительное повышение уровня их утилизации.

Проводимые на заводах мероприятия по рационализации энергохозяйства при существующих ценах на оборудование и тарифах на энергоносители не всегда объективно отражают экономические преимущества утилизации ВЭР и необходимость экономии таких невозобновляемых источников энергии, как уголь, нефть и газ в натуральном выражении.

7.7.Вторичные энергоресурсы основных отраслей промышленности

Основными источниками выхода ВЭР в различных отраслях промышленности являются технологические агрегаты.

Непосредственное потребление топлива при современных конструкциях технологических агрегатов и схемах производства приводит к большим потерям подводимой извне энергии ископаемого топлива. Используемые в настоящее время технологии в ряде случаев не совершенны с энергетической точки зрения, так как допускают работу агрегатов с низкими коэффициентами полезного использования энергии. Кроме того, ряд технологических процессов из-за плохой организации внутреннего использования энергии, отсутствия возврата потерь энергии в технологический цикл отличается повышенными расходами топлива на производство промышленной продукции. Так,

218

при производстве чугуна только 30…38 % поданной в доменную печь тепловой энергии используется полезно (диссоциация окислов, восстановление железа и др.), а 55…60 % этой энергии приходится на вторичные энергоресурсы. Аналогично при мартеновском способе производства стали на долю ВЭР приходится более 50 % от расходной части теплового баланса мартеновской печи.

Такое положение вещей характерно для многих огнетехнических процессов в промышленности.

Вчерной металлургии при традиционной схеме производства металла «чугун-сталь-прокат» (с учетом производств, обслуживающих металлургические заводы) к агрегатам-источникам ВЭР могут быть отнесены доменные печи, кауперы, агломерационные машины, ферросплавные печи, мартеновские печи, кислородные конвертеры, нагревательные устройства (методические печи, нагревательные колодцы), коксовые батареи, обжиговые печи (в производстве огнеупорных материалов). Многие технологические агрегаты являются источниками одновременного выхода нескольких видов ВЭР.

К горючим ВЭР в черной металлургии относится доменный и конвертерный газ, газ ферросплавных печей. К тепловым – физическое тепло уходящих дымовых газов, тепло охлаждения агрегатов, тепло продукции и др., к силовым – доменные газы.

Вобщем выходе ВЭР доменного производства наибольшую до-

лю (по количеству уносимой из печи энергии) составляет доменный газ. Доменный газ после очистки имеет теплоту сгорания от 3140 до 4600 кДж/м3 и используется в качестве котельно-печного топлива. Во время загрузки печи потери доменного газа составляют около 5 %, поэтому при интенсификации доменной плавки среднеотраслевые значения удельного выхода химической энергии доменного газа постоянно сокращаются.

Внастоящее время все крупные доменные печи работают с давлением под колошником 0,25…0,28 МПа. При таком давлении газа возможно производство механической работы при использовании газовой утилизационной бескомпрессорной турбины (ГУБТ). При не-

значительным подогреве газа за доменной печью рабочим объемом 2700…3200 мЗ мощность ГУБТ может достигать 12…16 МВт.

Все доменные печи на металлургических заводах оборудованы системой искусственного охлаждения, предназначенной для защиты от износа и коробления конструкций и деталей, работающих при вы-

219

соких температурах, а также для предохранения кожуха и фундамента печи от перегрева. Наиболее распространенно охлаждение оборотной или проточной водой, с которой уносится до 0,42…0,50 ГДж тепловой энергии, подведенной в печи на каждую производимую тонну чугуна. Потери тепловой энергии за каждый час с охлаждением доменной печи объемом 2000 мЗ составляют около 63 ГДж. Во избежание образования накипи на охлаждаемых элементах при водяном охлаждении конструкций повышение температуры охлаждающей воды допускается не более чем на 15…20 °С. При этом огромное количество тепловой энергии, отводимой от охлаждаемых элементов металлургических печей, не используется из-за ее низкого потенциала. Кроме того, растет нагрузка на очистные сооружения и систему охлаждения оборотной воды при её завышенном расходе.

Альтернативой водяному охлаждению являются системы испарительного охлаждения (СИО), разработанные и впервые использованные в нашей металлургической промышленности. Охлаждаемая конструкция в этом случае имеет специальные полости, по которым циркулирует охладитель. В процессе охлаждения поверхности в полости образуется пар высокой энергетической ценности. Современные СИО доменных печей и клапанов воздухонагревателей позволяют вырабатывать пар давлением до 0,8 МПа, что дает возможность использовать его для теплоснабжения металлургических предприятий. Испарительное охлаждение имеет ряд технологических преимуществ, так как увеличивает срок службы оборудования, в 40…50 раз сокращает расход охлаждающей воды и, следовательно, расход электроэнергии на ее перекачку.

Температура уходящих газов воздухонагревателей доменных печей изменяется за цикл от 150 до 600 °С. Воздухонагреватели работают со сдвигом во времени, а уходящие газы из всех воздухонагревателей доменной печи направляются в общий боров, поэтому их температура усредняется. Средняя температура уходящих газов кауперов изменяется в широких пределах (от 250 до 500° С). В связи с тенденцией повышения температуры доменного дутья температура уходящих газов воздухонагревателей постоянно увеличивается. Тепловая энергия уходящих газов может быть использована для выработки пара, горячей воды или для подогрева очищенного доменного газа перед его подачей в ГУБТ.