Калинин А.Э. Учебное пособие. Энергосбережение

Подождите немного. Документ загружается.

водяной барабан 15 через экономайзер 14. В экономайзере 14 подводимая

вода предварительно нагревается, что позволяет уменьшить потребности в

теплоте, поступающей из топки 5. Водяной барабан связан с топкой системой

труб и экранов, которые обеспечивают прохождение воды через

пространство топки и превращают ее в пар. В водяном барабане пар,

имеющий высокое давление, освобождается от капелек воды, затем проходит

через пароперегреватель 16, в котором его качество еще более повышается, и

поступает к потребителю или в теплообменное устройство для получения

горячей воды. Освобождение пара от капелек воды замедляет процесс

конденсации при его транспортировке.

Котельные на жидком или газообразном топливе отличаются его

подачей и системой зажигания. При жидком топливе используется форсунка,

которая его распыляет, а при газообразном топливе применяются газовые

горелки, обеспечивающие его равномерную подачу в зону горения.

Для определения мест экономии теплоты, рассмотрим тепловой баланс

котельной.

Приходящая часть теплоты определяется следующим образом:

ВХ

= Q

ТОП

+ Q

ФТ

+ Q

(7.11)

где Q

ТОП

– низшая теплота сгорания топлива, Дж.;

ФТ

– физическая теплота топлива, как тела, Дж.;

– теплота, вносимая с воздухом, Дж.

Обычно Q

ТОП

гораздо больше Q

ФТ

и Q

, что дает возможность считать

ВХ

= Q

ТОП

Расходная часть теплового баланса включает следующие величины:

ВЫХ

= Q

+ Q

(7.12)

2 3

100

где Q

– полезная теплота, то есть, теплота, используемая в котле,

пароперегревателе и водяном экономайзере, Дж.;

– потери теплоты с уходящими дымовыми газами, Дж.;

– потери теплоты от химической неполноты сгорания топлива,

Дж.;

– потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива,

Дж.;

– потери теплоты в окружающее пространство, Дж.;

– потери теплоты с выводимой золой и шлаками, Дж.

С учетом принятых допущений тепловой баланс котельной можно

представить в следующем виде:

ТОП

= Q

+ Q

(7.13)

Разделив (7.13) на Q

ТОП

и умножив на 100% получим:

100 = q

+ q

(7.14)

Здесь q

– процентное отношение соответствующей составляющей

расходной части теплового баланса к теплоте сгорания топлива.

Коэффициент полезного действия котла равен отношению полезно

расходуемой теплоты к теплоте сгорания топлива.

)qqqqq(100q100

654321

ТОП

КОТ



(7.15)

Как следует из теплового баланса и схемы промышленной котельной,

энергосбережение обеспечивается следующими путями:

 повышение температуры горения топлива;

2 3

101

 уменьшение потерь тепла от топки в окружающую среду;

 повышения эффективности работы пароперегревателя,

экономайзера и воздухоподогревателя;

 вторичного использования низкотемпературного тепла отводимых в

атмосферу дымовых газов и шлаков.

Повышение температуры горения топлива достигается путем

увеличения поверхности окисления (более тонкий размол, распыление и т.п.),

заменой низкокалорийного топлива на топливо с более высокой

теплотворной способностью, увеличением подачи кислорода в зону горения.

Теплопотери от топки в окружающую среду обусловлены

теплопроводностью через стенки топки и последующей радиацией тепла с

поверхности стенок. В соответствии с этим стремятся снизить поток тепла

через стенки, уменьшить поверхность теплоотдачи и уменьшить

коэффициент черноты наружных стенок. Для снижения потока тепла через

стенки применяют теплоизоляционные материалы. Учитывая высокую

температуру в топке, теплоизоляция выполняется многослойной, например,

как на рисунке 7.3.

Кирпичная кладка изнутри обычно обмуровывается огнеупорной

глиной, а снаружи (со стороны воздушной прослойки) укладывается асбест.

Слой 2 удерживается металлическими листами, которые с внешних сторон

имеют покрытие, близкое к зеркальному.

Для снижения поверхности теплоотдачи радиацией стремятся форму

топки приближать к сфере, так как сфера из всех геометрических тел имеет

наименьшее отношение поверхности к замыкаемому объему. Поверхность

топки обычно покрывается металлическими листами с малым

коэффициентом черноты (в пределе – поверхность зеркальная).

2 3

102

Рисунок 7.3. Разрез топки

1 – металлическое покрытие с малым коэффициентом черноты, 2 -

теплоизолятор с малым коэффициентом теплопроводности, 3 – воздушная

прослойка, 4 – кирпичная кладка из шамотного кирпича, 5 – топка.

Следует учитывать, что радиационное тепло от топки поступает в

помещение котельной, а затем через ограждения этого помещения уходит в

окружающую среду. Для снижения этих теплопотерь пол котельной

выполняется из прочных теплоизоляционных материалов (керамзит,

шлакобетон, пенобетон и т.п.). Стены и крыша котельной также должны

иметь достаточную теплоизоляцию. Кроме того, потолок должен иметь

белый цвет, а стены покрыты кафелем.

Эффективность использования пароперегревателя, водяного

экономайзера и воздухоподогревателя определяется местом их установки.

Обычно они располагаются по ходу дымовых газов в той

последовательности, в которой указаны. Следует также помнить, что все эти

аппараты являются теплообменными устройствами, поэтому для оценки их

эффективности следует применять эксергетический анализ (см. гл. 6).

Вторичное использование тепла дымовых газов и шлаков является

наиболее трудной задачей. Трудности обусловлены тем, что котельная

2 3

103

является нагревательной установкой, тепловые потери стремятся свести к

минимуму уже при ее проектировании. Тем не менее, в рамках

энергосбережения можно рассматривать такие мероприятия, как

использование горячих шлаков для подогрева теплиц в весеннее время для

ускорения получения тепличной продукции. Кроме того, отводимое тепло

дымовых газов может использоваться для подогрева биомассы в установках

по производству биотоплива. Принцип получения биотоплива будет

рассмотрен позже.

7.3. Рациональное энергоиспользование

в системах производства и распределения энергоносителей

Теплота передается от котельной энергоносителями, в качестве

которых используется пар или вода. Существует несколько конкурирующих

вариантов производства и распределения энергоносителей –

централизованное от теплоэлектроцентрали (ТЭЦ) или районной котельной

(РК), или автономное от автономных источников тепла. Здесь, в

соответствии с названием главы, мы рассмотрим два варианта

теплоснабжения – централизованное от районной котельной или автономное.

Рассматриваемые варианты являются классически альтернативными,

так как имеют совершенно противоположные достоинства и недостатки.

Достоинством централизованного варианта от районной котельной

является возможность обеспечения более высокого коэффициента

использования топлива, так как температура его сгорания на более крупных

котельных выше, чем при сжигании в автономных теплофикационных

установках. Однако при централизованном теплоснабжении требуется

транспортировка теплоты к рассредоточенным потребителям, а значит

неизбежны транспортные потери или дополнительные затраты на

теплоизоляцию теплотрассы.

Автономные теплофикационные установки имеют более низкую

температуру сгорания топлива, чем крупные районные котельные, но

2 3

104

совершенно не имеют транспортных теплопотерь, так как при автономном

теплоснабжении нет нужды в транспортировке теплоты.

Таким образом, для выбора варианта теплоснабжения необходимо

сравнить расход топлива, который определяется исходя из следующих

соображений.

При использовании районной котельной необходимое количество

теплоты равно:

ТР ЦТ

= ∑Q

+ Q

ПОТ ЦК

+ Q

ПОТ ТТ

(7.16)

где Q

ТР ЦТ

– требуемое количество теплоты при централизованном

теплоснабжении, Дж.;

∑Q

– сумма полезно потребляемой теплоты j-тыми

потребителями, Дж.;

ПОТ ЦК

– потери теплоты в центральной котельной, Дж.;

ПОТ ТТ

– потери теплоты в теплотрассе, Дж.

Потери теплоты в централизованной котельной можно выразить через

ее к.п.д. (см. (7.15)). Тогда можно записать:

ЦК

ПОТТТj1

ТРЦТ









(7.17)

Здесь η

ЦК

– к.п.д. централизованной котельной.

В случае использования автономных теплофикационных установок

потери теплоты в теплотрассе отсутствуют. Следовательно:

АУ

ТРАТ







(7.18)

2 3

105

где Q

ТРАТ

– требуемое количество теплоты при автономном

теплоснабжении, Дж.;

АУ

– к.п.д. автономной теплофикационной установки.

В общем случае в рассматриваемых вариантах может применяться

разное топливо с разной теплотворной способностью. Тогда потребность в

топливе определиться по формулам:

 при централизованном теплоснабжении





















ЦК

ПОТТТj1

ЦТ

(7.19)

 при автономном теплоснабжении

АУАТ

АТ







(7.20)

Здесь к

ЦТ

, к

АТ

– теплотворная способность топлива, используемого при

централизованном и автономном теплоснабжении соответственно, Дж/кг

(Дж/м

Наиболее рациональный вариант определяется сравнением (7.19) и

(7.20).

Обратим внимание, что к.п.д. крупных районных котельных зависит от

их загрузки. Установлено /4, 8, 10/, что максимальное значение к.п.д.

наблюдается при загрузке приблизительно 80% от максимально возможной.

Практически тепловая нагрузка (то есть, потребность в теплоте) изменяется в

течение года и суток в зависимости от технологии производства и

температуры окружающей среды. В этом случае центральные районные

2 3

106

котельные имеют два и более котла, мощность которых выбирается

следующим образом.

В случае, когда нагрузка имеет только пики (или только провалы) по

отношению к средней, принимают два котла, один из которых работает при

средней нагрузке (или при провалах), а второй подключается при увеличении

тепловой нагрузки до пиковых (или средних) значений. Отметим, что пики

или провалы нагрузки могут быть обусловлены не изменением температуры

окружающей среды, а производственными технологиями. В этом случае

резервный котел должен находиться в горячем резерве, что увеличивает

расход топлива.

Если тепловая нагрузка имеет явно переменный характер (это часто

бывает связано с производственными условиями), график которой имеет по

отношению к среднему значению пики и провалы, то в котельной

устанавливается три котла. Рекомендуемый режим работы котлов показан на

рисунке 7.4.

Рисунок 7.4. Время работы котлов при переменной в течение времени t

тепловой нагрузке (пример). Интегральное время работы котлов обозначено

штриховкой.

В заключение отметим, что если по производственным условиям

центральная котельная работает круглогодично с подачей тепла на

производственные нужды, то необходимо иметь еще один резервный котел,

MAX

СР

MIN

2 3

107

который будет работать во время плановых и аварийных ремонтов основных

котлов. Если центральная котельная имеет бытовую нагрузку, то плановый

ремонт обычно проводится в летнее время, и резервный котел не нужен.

2 3

108

Глава 8. Энергосберегающие

технологии

8.1. Особенности энергосбережения в высокотемпературных

теплотехнологиях

Высокотемпературное тепло применяется при плавке и обработке

металлов. Для определения возможных путей сбережения энергии

рассмотрим кратко соответствующие технологии.

Наибольший расход высокотемпературной теплоты имеет место при

выплавке металлов. Для получения металлов можно плавить руду или

металлолом. Доказано, что при получении, например, стали из металлолома

расход теплоты на плавку можно сократить на 30 – 40%. Однако это не

всегда возможно. Так сталь обычно выплавляется в конверторных печах с

кислородным дутьем /8/. Такие печи могут быть загружены металлической

рудой на 100%, а металлоломом только на 30%. Естественно, при такой

недогрузке получить теоретически возможную экономию топлива нельзя.

Наряду с этим, электродуговые печи могут работать при загрузке

металлоломом на 100%. В связи с этим, видимо, эффективно использовать

электродуговые печи для получения стали из металлолома, а конверторные –

для получения стали из железной руды.

Здесь же следует отметить некоторые недостатки получения стали из

металлолома, которые снижают эффективность его использования.

Во-первых, сталь, получаемая из металлолома обычно более низкого

качества.

Во-вторых, при получении стали из металлолома его необходимо

тщательно сортировать. Сортировка, обычно проводится на основе различия

магнитных характеристик металла с использованием электромагнитных

полей. Естественно это потребует дополнительных затрат энергии.

Аналогичная ситуация имеет место и при выплавке других металлов.

2 3

109