Данилов Н.И., Щелоков Я.М. Основы энергосбережения

Подождите немного. Документ загружается.

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Окончание табл. 13.3

1 2 3 4

Гидроочистка

Установки:

Л-24-6

Л-24-7

Дымовые газы

Θ = 300 °С

Θ = 330 – 420 °С

0,102

0,03 – 0,04

0,035 – 0,04

0,012

Промышленность стройматериалов

Стекло

Горшковая печь

Уходящие газы

Θ = 400 – 600 °С (после теп-

1,0 ккал/т

лообменника)

Θ = 1300 °С (после регенерато-

ра)

1,7 – 2,7

стекло-

массы

Ванная регенеративная

печь

0,35 – 0,54

200 – 350

ккал/т

ккал/кг стек-

ломассы

Минеральная вата

Вагранка для плавки

минерального сырья

Уходящие газы

Θ = 500 – 800 °С

0,334

Известь

Печь обжига извести

Уходящие газы

Θ = 100 – 400 °С

0,116 0,081

Пищевая промышленность

Масло растительное

Сушка семян

Прессование

Экстракция, рафинация

Тепло бинарной смеси, масла,

конденсат, парогазовая смесь

Θ = 40 – 130 °С

0,86 0,4

Маргарин, майонез

Подогрев молока, воды

Конденсат, вторичный пар

Θ = 90 – 120 °С

0,93 0,35

Саломас

Гидрогенезация жиров

Тепло продукта, конденсат

Θ = 70 – 100 °С

1,03 0,4

Глицерин

Паровоздушная смесь, кон-

Дистилляция жирных

3,09 1,3

денсат, Θ= 110°С

кислот

Мыло

Парогазовая смесь, конденсат

Разогрев жиров, сушка

0,73 0,3

Θ = 90 °С

мыла

Машиностроение

Сталь

Мартеновская печь (ем-

кость 18 –90 т садки)

Уходящие газы

Θ = 500 – 800 °С

запыленность 10 – 15 г/м

0,4 – 0,5

(после ре- 0,37

куператора)

Охлаждение конструкции

Θ = 40 °С

– 0,29

Θ = 190 – 250 °С

р = 3,5 – 1,8 ата

Нагрев заготовок

Нагревательная печь

производительностью

300 – 20000 кг/ч

Уходящие газы

Θ = 600 – 1300 °С (после печи)

Θ = 300 – 700 °С (после реку-

ператора)

0,3 – 0,7

–

0,2 –0,5

378

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Таблица 13.4

Структурная схема выработки и использования ВЭР на предприятии

черной металлургии

Вид производства,

агрегаты

Процесс, вид по-

бочного продукта

Установка ВЭР, виды

энергоносителей

Виды ВЭР

Горючие Доменный газ Топливо

Тепловые Охлаждение СИО (пар)

Доменное произ-

водство

Избыточного

давления

Энергия газа ГУБТ (электроэнергия)

Отходящие газы Котлы-утилизаторы (пар)

Мартеновские печи Тепловые

Охлаждение СИО (пар)

Охладители конвертор-

ных газов (пар)

Тепловые Отходящие газы Кислородные кон-

верторы

Горючие Конверторный газ Топливо

Отходящие газы Котлы-утилизаторы (пар)

Нагревательные

печи прокатного

производства

Тепловые

Охлаждение СИО (пар)

Горючие Коксовый газ Топливо

Коксовые батареи

УСТК (пар и электро-

энергия)

Тепловые Отходящие газы

Обжиговые печи Тепловые Отходящие газы Котлы-утилизаторы (пар)

Главными преимуществами котлов МПЦ, обусловившими их широ-

кое применение в качестве котлов-утилизаторов, являются:

1) применение труб малого диаметра (20 – 30 мм), обеспечивающих

в условиях преимущественно конвективной передачи тепла максимальные

значения коэффициентов теплопередачи;

2) компоновка испарительных поверхностей нагрева в виде змееви-

ковых пакетов, обусловливающая компактность установки и возможность

блочного изготовления и монтажа, что особенно важно при размещения

котлов в неприспособленных для этого помещениях производственных це-

хов [45].

Кроме того, нагревательные печи, как правило, оборудованы систе-

мой охлаждения отдельных элементов конструкции, работающих в тяже-

лых температурных условиях. Обычно охлаждение элементов достигается

за счет пропуска через их внутреннюю полость воды, отнимающей тепло,

поглощаемое конструкцией. Так работают фурмы доменных печей, кессо-

379

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

ны мартеновских печей, глиссажные трубы методических печей и др.

Потери тепла с охлаждающей водой составляют заметную величину

в тепловом балансе любой металлургической печи. Например, в мартенов-

ских печах эти потери составляют до 15 – 20 % от всего расходуемого на

печь тепла.

Рис. 13.2. Принципиальная схема котла с многократной циркуляцией

(МПЦ):

1 – барабан; 2 – циркуляционный насос; 3 – испарительная поверхность;

4 – пароперегреватель; 5 – водяной экономайзер

Количество тепла, уносимое охлаждающей водой, может быть зна-

чительно уменьшено посредством изоляции охлаждаемых элементов. На-

пример, изоляция лобовой поверхности кессонов мартеновской печи сни-

жает потерю тепла через них в 2 – 3 раза. К сожалению, в условиях работы

сталеплавильных печей стойкость современных изоляционных материалов

невелика и устройство эффективной, длительно работающей изоляции ох-

лаждаемых элементов связано с очень большими, часто непреодолимыми

трудностями [45].

380

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Наиболее целесообразным способом использования тепла охлаж-

дающей воды является организация испарительного охлаждения, при ко-

тором в охлаждаемом элементе происходит частичное испарение охлаж-

дающей воды. Вследствие использования скрытой теплоты парообразова-

ния разность i

– i

возрастает до 2300 – 2500 Дж/кг (550 – 600 ккал/кг) и

расход воды сокращается в десятки раз. Пар, получаемый из системы ис-

парительного охлаждения, значительно легче использовать, чем горячую

воду.

Количество получаемого в системе испарительного охлаждения пара

D может быть подсчитано по формуле, кг/ч:

D = Q/(i

– i

где Q – количество отводимого тепла, Дж/ч (ккал/ч); i

– энтальпия полу-

чаемого насыщенного пара, Дж/кг (ккал/кг); i

– энтальпия питательной

воды, Дж/кг (ккал/кг).

Повышение температуры охлаждающей среды и стенки детали не

имеет существенного значения, так как при нагреве стали до температуры

350 °С механические свойства ее практически не изменяются.

Резкое уменьшение расхода охлаждающей воды делает рентабель-

ным питание системы химически очищенной водой, благодаря чему срок

службы охлаждаемых элементов увеличивается в несколько раз. Образо-

вание пара внутри охлаждаемого элемента вызывает в контуре системы

испарительного охлаждения (рис. 13.3) естественную циркуляцию. Дви-

жущей силой циркуляции является разность давления Δр, Н/м

, столба во-

ды и столба пароводяной смеси высотой Н, м:

Δp = gH(ρ

– ρ

где ρ

, ρ

– плотность воды и пароводяной смеси, кг/м

; g – ускорение силы

тяжести, м/с

На металлургических и машиностроительных предприятиях тепло-

вые ВЭР сравнительно высоких параметров образуются в основном в мар-

381

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

теновских, нагревательных и термических печах в виде теплоты уходящих

газов и теплоты охлаждения установок, печей, продукции. Кроме того,

низкопотенциальная теплота содержится в отработанном паре, образую-

щемся в процессе работы прессов и молотов [41].

Рис. 13.3. Схема контура системы испарительного охлаждения:

1 – барабан-сепаратор; 2 – опускной трубопровод;

3 – охлаждаемый элемент; 4 – подъемный трубопровод

Доменные газы, имеющие теплоту сгорания около 4000 кДж/м

, от-

носятся к горючим ВЭР, но поскольку они обладают давлением выше ат-

мосферного (до 0,3 МПа), то могут быть использованы как ВЭР с избыточ-

ным давлением в газовой бескомпрессорной утилизационной турбине для

выработки дополнительной электроэнергии или привода воздуходувок.

При водяном охлаждении доменных печей и металлоконструкций можно

получить значительное количество низкопотенциальной теплоты (с темпе-

ратурой 15 – 20 °С). Метод испарительного охлаждения при сокращении

расхода воды и электроэнергии на ее перекачку позволяет выработать пар

низкого давления (до 0,8 МПа), используемый для нужд теплоснабжения.

Температура уходящих газов воздухонагревателей доменных печей

колеблется в пределах 150 – 600 °С, температура уходящих газов кауперов

достигает 250 – 500 °С. Их теплота может быть использована для выработ-

382

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

ки пара, горячей воды или для подогрева доменного газа. Перспективно

использование теплоты шлаков, которые в цветной металлургии выходят с

температурой до 1300 °С и уносят до 15 – 70 % общей теплоты. В черной

металлургии значительные отходы теплоты образуются в агломерацион-

ном и ферросплавном производствах (средняя температура шлаков колеб-

лется в пределах 500 – 550 °С).

На предприятиях машиностроения в настоящее время тепловыми от-

ходами являются физическая теплота уходящих газов, теплота охлаждения

нагревательных и термических печей и вагранок, теплота отработанного

пара кузнечно-прессового оборудования.

В промышленности строительных материалов тепловые ВЭР обра-

зуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, произ-

водстве стекла, кирпича, извести, огнеупоров, выплавке теплоизоляцион-

ных материалов. К ним относится физическая теплота уходящих газов раз-

личных печей (туннельных, шахтных, вращающихся и т.д.).

Крупными потребителями пара различных параметров, электроэнер-

гии, горячей и теплой воды, а также холода являются почти все отрасли

пищевой промышленности, поэтому и тепловые ВЭР предприятий пище-

вой промышленности также весьма разнообразны. Это, прежде всего, теп-

лота отходящих горячих газов и жидкостей; жидких и твердых отходов

производства; отработанного пара силовых установок и вторичного пара,

который получается при выпаривании растворов, ректификации и высу-

шивании; тепловых установок; теплота, содержащаяся в продуктах произ-

водства.

Как уже отмечалось, вторичные энергоресурсы имеются также на

тепло- и гидроэлектростанциях. На гидроэлектростанциях отходы теплоты

образуются в результате тепловыделения в электрогенераторах. Для тепло-

вых электростанций наиболее существенный источник ВЭР – низкопотен-

циальная теплота нагретой охлаждающей воды конденсационных уст-

ройств, с которой может теряться до 50 % теплоты топлива, расходуемого

383

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

на электростанции. Источником ВЭР считаются также дымовые газы ко-

тельных установок на паротурбинных станциях или отходящие продукты

сгорания газотурбинных установок [49].

Для охлаждающих установок источником тепловых ВЭР может слу-

жить нагретая охлаждающая вода из воздухоохладителей и регенератив-

ных теплообменных аппаратов. Источником ВЭР может быть нагретая ох-

лаждающая вода из системы охлаждения генераторов электростанций.

Значительные тепловые отходы имеются и на АЭС: теплота конденсата,

теплота охлаждающих систем и др.

Таким образом, основными источниками образования ВЭР в различ-

ных отраслях промышленности выступают технологические аппараты, как

правило, недостаточно совершенные с энергетической точки зрения, по-

скольку современная технология допускает работу технологических уста-

новок с низким коэффициентом использования топлива.

13.4. Определение объемов выхода и использования ВЭР

Выход и использование ВЭР рассчитывают либо в единицу времени

(1 ч) работы агрегата-источника ВЭР, либо в удельных показателях на

единицу продукции (сырья).

Удельный (часовой) выход ВЭР определяется умножением удельно-

го (часового) количества энергоносителя на его энергетический потенциал.

Энергетический потенциал энергоносителей определяется :

− для горючих ВЭР – низшей теплотой сгорания Q

;

− для тепловых ВЭР – перепадом энтальпий Δh;

− для ВЭР избыточного давления – работой изоэнтропного расшире-

ния l.

В качестве единиц измерения потенциала приняты единицы измере-

ния энергии – килоджоуль, киловатт.

384

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Единицами измерения количества энергоносителя служат единицы

массы – килограмм (кг), тонна (т); для газообразных теплоносителей – еди-

ницы объема – кубический метр при нормальных физических условиях (м

при н.у., нм

): Р = 760 мм рт. ст. и t = 0°С.

Удельный общий выход ВЭР определяется по формулам, кДж/ч:

для горючих ВЭР

= m·Q ; (13.1)

для тепловых ВЭР

= m·c·(t – t

) = m·Δh; (13.2)

для ВЭР избыточного давления

= m·l. (13.3)

Общий объем выхода ВЭР:

вых

= q·M (13.4)

или

вых

= q ·τ. (13.5)

Здесь m – удельное (часовое) количество энергоносителя в виде

твердых, жидких или газообразных продуктов, кг (м

)/ч; Δh – располагае-

мый перепад энтальпий энергоносителя, кДж/кг; l – работа изоэнтропного

расширения, кДж/кг; Q

вых

– общий объем выхода ВЭР за рассматриваемый

период, кДж; М – выход основной продукции или расход сырья (топлива)

за рассматриваемый период; τ – число часов работы установки-источника

ВЭР за указанный период; q – удельный выход ВЭР в процентах к выходу

основной продукции или расходу сырья; q

– часовой удельный выход

ВЭР, определяемый по формулам (13.1) – (13.3).

Иногда в практических расчетах удельный и общий объем выхода

ВЭР относят не к единице времени, а к единице продукции: кДж / единицу

продукции, процент / единицу продукции.

Низшую теплоту сгорания горючих ВЭР Q

определяют экспери-

385

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

ментальным путем или по известным в теплотехнике формулам в зависи-

мости от элементарного состава.

Перепад энтальпий Δh для тепловых ВЭР определяется в зависимо-

сти от температуры энергоносителя на выходе из агрегата (источника

ВЭР), а также от температуры окружающей среды. В расчетах обычно оп-

ределяют средний выход ВЭР для установившегося технологического режима.

Выход ВЭР за рассматриваемый период времени (сутки, месяц, квар-

тал, год) определяют исходя из удельного или часового выхода по форму-

ле, ГДж:

вых

= q·П·10

-6

, (13.6)

-6

вых

= q

·τ·10 , (13.7)

где q – удельный выход ВЭР, кДж/ед. продукции; П – выпуск основной

продукции (расход сырья, топлива), к которой отнесен удельный выход

ВЭР, за рассматриваемый период, единица продукции; q

– часовой выход

ВЭР, кДж/ч; τ – время работы агрегата-источника ВЭР за рассматриваемый

период, ч.

Основные качественные параметры ВЭР промышленных предпри-

ятий приведены в табл. 13.5, а по ВЭР электростанций – в табл. 13.6.

Таблица 13.5

Параметры ВЭР промышленных предприятий

ВЭР

Первичные энергети-

ческие ресурсы

Разновидности энергоресур-

сов

Характеристика,

качественные параметры

1 2 3

Твердое, жидкое,

газообразное топливо

или электроэнергия

для обслуживания

технологических вы-

сокотемпературных

процессов (промыш-

ленные печи) и охла-

ждающая вода

1. Отходящие горючие газы

коксовых и доменных печей:

а) коксовый газ – продукт а) Теплота сгорания:

выжига кокса в коксовых

печах

P 3

≈ 16800 кДж/м

Состав газа: СО = 2 – 4 %;

СО = 6 – 8 %; Н

= 55 – 62 %;

СН = 24 – 28 %; этилен, про-

пилен и др. - 2 – 3 %;

N = 3 – 2 %; О

2 2

= 0,4 – 0,8 %,

плотность 0,4 – 0,55 кг/м .

Взрывоопасен.

386

Н.И. Данилов, Я.М. Щелоков Основы энергосбережения Глава 13. Вторичные энергетические ресурсы

Продолжение табл. 13.5

1 2 3

б) доменный газ – побочный

продукт доменного произ-

водства; получается в ре-

зультате неполного сгорания

кокса

в) ферросплавный газ – вы-

плавка ферросплавов в элек-

тропечах

2. Отходящие горючие газы

предприятий нефтяной про-

мышленности

3. Отходящие горячие газы

промышленных печей

4. Нагретая охлажденная

вода и пар испарительного

охлаждения промышленных

печей

5. Тепло, выделяемое рас-

плавленными металлами,

коксом и шлаками промыш-

ленных печей

б) Q

P 3

= 3350 – 4610 кДж/м

Состав газа: СО =10 – 12,5 %;

СО = 28,5 –30,5 %; Н

=1,5 –

– 3,8 %; N

= 58 – 59,5 %;

О = 0,1 – 0,2 %, плотность

1,28 – 1,3 кг/м

, теоретическая

температура горения 1430 –

– 1500 °С, для сжигания

1 МДж газа требуется теоре-

тически необходимое количе-

ство кислорода 0,19 м

в) Q

P 3

= 11300 кДж/м

Состав газа:

СО = 85 %; Н = 4 %;

= 5,6 %; O = l %;

СO = 3 %;

сероводород = 0,4 %

Высокотоксичный, взрыво-

опасный газ

= 41,87 – 62,8 МДж/м

о.г

≥ 500 – 1000 °С

≤ 95 °С

о.в

= 1,6 – 4 атм.

и.о

отх

> 1000°С

tГаз и жидкое топливо

для обслуживания

технологических си-

ловых процессов (с

двигателями внутрен-

него сгорания возду-

ходувных, компрес-

сорных и других агре-

гатов) и охлаждающая

вода

1. Горячие газы, отходящие

о.г

= 350 – 600 °С

из двигателей внутреннего

сгорания

< 100 °С

2. Нагретая охлаждающая

вода, отходящая из двигате-

лей внутреннего сгорания

о.в

387