Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ использования природного газа в энергоснабжении предприятий стекольной промышленности 17
1.1. Общие положения энергопотребления в промышленности 17
1.2. Источники и потребители тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности 22
1.3. Выводы 33
2. Основные направления в разработке комплексного использования газа в энергоснабжении предприятий стекольной промышленности 36
2.1. Классификация схем комплексного энерготехнологического использования газа на предприятиях стекольной промышленности 37
2.2. Использование теплоты продуктов сгорания в агрегате -источнике ВЭР 46
2.3. Использование продуктов сгорания для нагрева сжатого воздуха 48
2.4. Применение энергосберегающего оборудования на основе тепловых труб 49
2.5. Применение продуктов сгорания для контактного нагрева воды 52
2.6. Использование конденсационных поверхностных теплообменников для нагрева воды 56
2.7. Применение автономных систем для энергоснабжения стекольных заводов 58
2.7.1. Сравнительная оценка применения газовых турбин, газовых и дизельных двигателей в комбинированных системах - 64
2.8. Основные положения разработки систем комплексного использования теплоты и требования к ним 69
2.9. Анализ энергопотребления промышленными предприятиями 73
2.10. Анализ существующих установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания 76
2.11. Выводы 78
3. Исследование влияния аэродинамических характеристик теплообменного оборудования и схемотехнических решений УКИТ на электропотребление установок 80
3.1. Целевая функция УКИТ и принципы оптимизации энергопотребления установок 80
3.2. Исследование и разработка энергосберегающих схем размещения теплообменного оборудования в трактах продуктов сгорания установок 86
3.3. Снижение энергопотребления дымососами тракта продуктов сгорания при модернизации УКИТ 99
3.4. Выводы 107
4. Разработка комплексных установок энергоснабжения предприятий 109
4.1. Установки комплексного использования теплоты продуктов сгорания 112
4.2. Установки комплексного использования теплоты с системами кондиционирования воздуха 120
4.3. Комбинированные системы использования природного газа 125
4.3.1. Комбинированная схема использования природного газа на стекольном заводе ЗАО «Ростовстекло» 128
4.3.2. Экономический эффект от внедрения комплексной энерготехнологическои установки на стекольном заводе ЗАО «Ростовстекло» 134
4.4. Выводы 135
5. Исследование работы опытно-промышленной установки комплексного использования теплоты 137
5.1. Цели и.задачи исследования установки 139
5.2. Исследование и анализ работы радиационного рекуператора 142
5.3. Исследование работы печи отжига 147
5.4. Исследование работы барабанной сушильной установки 151
5.5. Определение коэффициента использования топлива в комплексной установке 155
5.6. Выводы 156
Заключение 157
Литература 159
- Источники и потребители тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности
- Использование теплоты продуктов сгорания в агрегате -источнике ВЭР
- Исследование и разработка энергосберегающих схем размещения теплообменного оборудования в трактах продуктов сгорания установок
- Установки комплексного использования теплоты с системами кондиционирования воздуха
Введение к работе
Актуальность работы. Настоящее время характеризуется большим потреблением энергетических ресурсов и его дальнейшим интенсивным ростом. Это объясняется процессом индустриализации, происходящей в большинстве стран мира. В результате быстрого роста энергопотребления образовалось напряженное положение в энергетике государств, особенно промышленных, которые не располагают природными запасами топлива или имеют его только в незначительном количестве. Но и в странах с большими собственными энергетическими ресурсами, как, например, в нашей стране, имеет место резкое увеличение затрат на добычу и производство топлива, поскольку месторождения полезных ископаемых часто находятся в отдаленных и трудно доступных районах со слаборазвитой инфраструктурой и с суровыми природно-климатическими районами.
Новая энергетическая стратегия Российской Федерации первостепенное значение придаёт повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на всех стадиях — от производства до потребления.
В настоящее время 40-45% всех произведенных энергоресурсов в нашей стране расходуется неэффективно.
В условиях промышленного спада возрастает важность энергосбережения для преодоления экономического и энергетического кризиса. Повышенный уровень энергопотребления в России связан с несовершенством технологических процессов и теплоиспользующего оборудования. Это усугубляется ориентацией промышленности на выпуск полуфабрикатов и сырья. Доля производства энергоёмких продуктов незначительна. Рост доли энергоёмких отраслей продолжается, что оказывает негативное влияние на развитие всей экономики страны. Поэтому энергосбережение является основным направлением развития экономики, энергетики и промышленности страны.
В промышленности строительных материалов с ее многообразием технологических процессов, большей частью устаревших и несоответствующих современному техническому уровню, имеются неограниченные возможности экономии энергии.
Предприятия по выпуску строительных материалов являются одним из крупных потребителей природного газа.
Исследования, выполненные в Ростовском государственном строительном университете, в Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина, а также зарубежный опыт показывают, что стоимость энергии, полученной в результате внедрения энергосберегающих мероприятий, в 3-5 раз дешевле энергии от строительства новых установок аналогичной производительности [1].
Специалисты Федеральной энергетической комиссии России (ФЭК) считают, что в России в ближайшие 20 лет промышленность может развиваться без увеличения потребления энергии при правильном экономическом и политическом подходах к решению этой задачи.
Резервы Российской Федерации в области • энергосбережения значительны. По различным оценкам потери от нерационального использования энергоресурсов за 1973-1995 годы составили от 500 до 700 млрд. долларов. В настоящее время по этой же причине Россия ежегодно теряет около 40 млрд. долларов.
В 1990-1995 годах энергоемкость возросла на 16-18%, значительно превысив уровень 1975 года. Начиная с 1995 года это положение, хотя и медленно, выправляется. Этому способствовали принятые законодательные и нормативные документы.
Потенциал энергосбережения в России составляет более 500 млн. т. условного топлива, в том числе в промышленности 159-160 млн. т.
В нашей стране расходуется в три и более раз больше первичных энергетических ресурсов в расчете на единицу национального дохода, чем в передовых капиталистических странах. Экономически целесообразно уже сейчас снижать объёмы добываемого топлива. Средства, сэкономленные на попытках увеличить или даже поддерживать достигнутый и нерационально высокий уровень добычи топлива, могут быть более эффективно вложены в энергосберегающие мероприятия.
В настоящее время значительно повысились цены на органические виды топлива, а также улучшилось соотношение цен, исходя из энергетической ценности каждого его вида.
В энергетике страны ставится задача неотложного решения проблем, связанных с повышением энергетической и экономической эффективности производства в рамках всего народного хозяйства. Необходимо добиваться того, чтобы прирост в топливе, энергии и материалах на 75-80 % удовлетворялся за счет их экономии.
Снижение энергоемкости национального дохода требует не только изменения в производственном процессе, но и уменьшения непроизводственных расходов. В среднем по народному хозяйству четверть потребления энергии идет на непроизводственные нужды, в первую очередь на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Необходимо отметить, что при современных технологиях часть производственных затрат расходуется на поддержание микроклимата в помещениях.
Современный этап развития стекольной промышленности, являющейся одной из энергоёмких отраслей, характеризуется необходимостью разработки комплекса мер по экономии топливно-энергетических ресурсов.
Особенно остро проблема экономии топлива возникла во время первого энергетического кризиса в 1973 г. В указанном году цена на тяжелое жидкое топливо, обычно используемое в то время для производства стеклянной тары в Европе, возросла на 300 % [2]. На стекольных заводах природный газ в наибольших объёмах потребляют стекловаренные печи. КПД при этом часто не превышает 20-40 %. Резкое увеличение цены ускорило общую тенденцию в направлении использования более эффективных стекловаренных печей. Суммарные значения потребления энергии на стекольных заводах включают также затраты на отопление каналов питателей стекловаренных печей, печей отжига, сушку песка, нагрева воды для технологических нужд, а также на отопление, вентиляцию, нагрев воды на хозяйственно-бытовые нужды. Энергетические затраты на варку стекла составляли в 1996 году примерно 75% суммарных затрат и эта доля в последующие годы увеличивалась. Особенно это характерно для производства белого стекла, при котором доля энергетических затрат на стекловаренные печи 20 лет назад была близка к 60% [2]. Эти тенденции показывают, что сбережение энергии за пределами печи даже относительно более эффективно по сравнению с экономией энергии в самом процессе варки стекла.
В настоящее время наиболее перспективным направлением экономии энергии является использование теплоты продуктов сгорания природного газа для различных целей, например, технологических нужд, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. К сожалению традиционные системы указанных потребителей не всегда позволяют рационально использовать теплоту продуктов сгорания.
Основным источником вторичных энергетических ресурсов на стекольных заводах являются ванные печи, в которых сжигается природный газ. Природный газ в ряде случаев не требует промежуточных теплоносителей. Это преимущество газа содержит в себе большие резервы экономического эффекта, так как позволяет создавать новые направления его использования. Универсальность природного газа как топлива обеспечивает ему широкое применение в автономных агрегатах для непосредственного нагрева изделий, отопительных установок и т. п. Продукты сгорания природного газа, которые можно рассматривать как высококачественный теплоноситель (в них, как правило, отсутствуют вредные примеси и твердые частицы), выбрасываются часто с высокой температуры (до 1000°С и выше) в атмосферу. Однако применение этих продуктов сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих установок могло бы дать существенный экономический эффект. Здесь под комплексом энергопотребляющих установок имеются в виду системы, в которых продукты сгорания последовательно направляются из высокотемпературного источника в средне- и низкотемпературные установки (технологическое оборудование, системы теплоснабжения, вентиляции и т. д.). Такие системы принято называть системами комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.
Преимуществом системы комплексного использования теплоты является:
- при комплексном применении природного газа во многих случаях можно обеспечить ряд технологических потребностей, а также нужды систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха только за счет теплоты уходящих газов от теплотехнического оборудования;
- коэффициент использования топлива в комплексных системах может быть доведен до 90% и выше;
- применение комплексных установок способствует улучшению санитарно-технического состояния производственных помещений и охране воздушного бассейна (за счет сокращения выбросов продуктов сгорания);
- удельные капиталовложения в установки комплексного использования теплоты ниже, чем в добычу одной тонны условного топлива.
Комплексное использование теплоты продуктов сгорания предполагает взаимоувязку источников и потребителей теплоты продуктов сгорания по оптимальной схеме с учетом их расходов, температурных уровней, времени выхода и потребностей и типа энергоносителей. Одним из признаков комплексного использования теплоты является ступенчатое применение продуктов сгорания в разных узлах одной или нескольких термодинамических систем.
Элементами систем комплексного использования теплоты являются в основном теплообменники самых различных назначений, конструкций и размеров. Однако при их компоновке в комплексных установках очень часто применяются не самые целесообразные решения, возникают трудности при создании оптимальных систем. Ряд разработок в этой области характеризуется недостаточной степенью утилизации имеющихся энергоресурсов и нерациональным использованием теплоты. Это объясняется тем, что до настоящего времени не решен ряд теоретических и практических вопросов комплексного использования теплоты применительно к предприятиям стекольной промышленности. Кроме того, при проектировании теплоутилизирующих систем необходимо решить ряд вопросов охраны окружающей среды, которые сформулированы в «Проекте основных положений общеакадемической программы биосферных и экологических исследований на период до 2015 года» [3].
Большой интерес представляют установки комплексного использования газа с одновременной выработкой тепловой и электрической энергии. В таких установках природный газ сжигается в газовой турбине или двигателе внутреннего сгорания, служащих для привода электрогенераторов. Теплота выхлопных газов, имеющих высокую температуру, и нагретая вода системы охлаждения двигателей может быть использована для теплотехнических и санитарно-технических нужд.
Настоящая работа посвящается разработке методов комплексного энерготехнологического использования природного газа в системах теплоснабжения предприятий стекольной промышленности с учетом охраны воздушного бассейна при применении рекомендуемых систем.
Исследования проводились по программе гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук (подраздел «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения» (2000-2002 гг.)), в соответствии с программами МНТП «Архитектура и строительство» в рамках тем: «Разработка комплексных энерготехнологических установок для предприятий по выпуску изделий из стекла» (1998-2000г. г.), «Эффективные системы энергоснабжения зданий и сооружений» (2000-2002 гг.) и «Системы автономного энергоснабжения производственных зданий» (2002-2004 гг.), а также по программе «Разработка и реализация федерально-региональной политики в области науки и образования, в рамках темы: «Критические технологии энергосбережения зданий и сооружений».
Целью работы является разработка методов совершенствования комплексных установок использования природного газа в теплоснабжении предприятий стекольной промышленности, обеспечивающих повышение их эффективности, и охрану воздушного бассейна.
В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:
- анализ технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов и потенциальных потребителей тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности;
- сравнительный анализ эффективности различных схем утилизации теплоты;
- разработки классификации установок комплексного использования природного газа применительно к предприятиям по выпуску стеклянных изделий;
- исследование потерь давления продуктов сгорания в теплообменниках установок комплексного использования теплоты (УКИТ) и определение энергосберегающего соотношения величин температур продуктов сгорания перед теплообменниками и их характеристик аэродинамического сопротивления при последовательном расположении теплообменников в тракте продуктов сгорания;
- исследование влияния дополнительного охлаждения продуктов сгорания в низкотемпературных теплообменниках на электропотребление дымососом;
- выбор конструкций конвективных теплообменников, предназначенных для установки в комплексных схемах использования продуктов сгорания природного газа;
- сравнительный анализ применения газовых турбин и газовых двигателей внутреннего сгорания в комплексных энерготехнологических установках;
- разработка энергоэффективных комплексных установок использования природного газа для технологических процессов, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха и обеспечивающих охрану окружающей среды;
- исследования работы комплексных установок в производственных условиях;
Основная идея работы состоит в использовании физико-химических свойств природного газа, позволяющих применять продукты его сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих устройств.
Научная новизна наиболее существенных результатов работы заключается в комплексном подходе к разработке методов и средств термодинамических и аэродинамических исследований систем комплексного использования природного газа.
В результате теоретических, экспериментальных и производственных исследований решены следующие задачи:
- выполнен анализ состояния использования природного газа на предприятиях стекольной промышленности и определены возможности применения продуктов сгорания в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха;
- предложены новые схемотехнические решения совместной выработки тепловой и электрической энергии, адаптированные к тепловым источникам вторичных энергетических ресурсов и потребителям энергии на предприятиях стекольной промышленности;
- определены энергосберегающие соотношения величин температур продуктов сгорания перед теплообменниками установок комплексного использования теплоты и характеристики аэродинамического сопротивления при последовательном расположении теплообменников в тракте продуктов сгорания;
- исследовано влияние дополнительного охлаждения продуктов сгорания в низкотемпературных теплообменниках на электропотребление дымососом;
- показана возможность использования тепловых насосов с целью совместной выработки теплоты и холода для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха применительно к технологическим процессам стекольных заводов.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением фундаментальных положений теории горения, тепломассообмена, аэродинамики, хорошей сходимости данных аналитических и экспериментальных исследований (относительная погрешность в пределах 5-Ю % при доверительной вероятности 0,95), положительными результатами промышленных испытаний созданных установок. Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении аналогичных задач.
Практическая значимость результатов работы:
- состоит в разработке инженерного метода расчета эффективных систем комплексного использования природного газа с учетом аэродинамических характеристик теплообменного оборудования;
- результаты работы позволяют повысить эффективность вновь разрабатываемых и реконструктируемых установок комплексного использования природного газа;
- разработаны установки для конкретных технологических процессов стекольной промышленности, в том числе с использованием низкопотенциальных тепловых ресурсов для целей теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха;
- результаты исследования включены в учебные курсы по энергосбережению в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха для студентов инженерно-строительных специальностей.
Реализация результатов работы. Научные положения, методология проектирования, материалы исследований, программы расчетов используются в исследовательской и проектной практике ряда организаций (Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, проектные институты АО «Озон», ООО «Проектпромвентиляция» и др.).
Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов стекольных заводов АО Ростовстекло, цеха по производству стеклянной тары ОАО Азовского комбината детского питания.
Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсе «Энергосбережения в системах теплоснабжения и вентиляции» для специальности 290700- «Теплоснабжение и вентиляция»
На защиту выносятся следующие основные положения:
- способ использования теплоты продуктов сгорания природного газа для конкретных технологических процессов производства изделий из стекла; І
- метод проектирования эффективных систем комплексного использования природного газа с учетом аэродинамических характеристик теплообменного оборудования;
- энергосберегающие установки комплексного использования природного газа, обеспечивающие эффективность его применения и способствующие охране воздушного бассейна.
Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях . в Ростовском государственном строительном университете: «Строительство - 2000», «Строительство - 2001», «Строительство - 2002», «Строительство - 2004», на международных конференциях «Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2001-2002 гг.), на международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» (РГАСХМ, Ростов-на-Дону, 2001 г.), на 5-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2003 г.), на научных семинарах кафедр «Отопления, вентиляции и кондиционирования» и «Теплогазоснабжения» РГСУ, на технических советах проектного института «Озон» и Ассоциации «Теплосистема».
Публикации: Всего опубликовано по теме диссертации 19 работ. •
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы.
Диссертация изложена на 168 страницах, иллюстрирована 39 рисунками и 17 таблицами.
Список использованной литературы включает 104 наименования, в том числе 25 на иностранных языках.
Источники и потребители тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности
Изготовление изделий из стекла происходит в несколько этапов: подготовка сырья для варки стекла, варка стекла в стекловаренной печи, формовка изделия, отжиг и закалка стеклянного изделия. Современный этап развития стекольной промышленности, являющейся одной из наиболее энергоемких отраслей, характеризуется необходимостью комплекса мер по экономии топливно-энергетических ресурсов. Удельный расход теплоты существенно снижается при росте удельного съема стекломассы, поэтому при техническом перевооружении предприятий необходимо интенсифицировать процесс стекловарения. Ускорение процесса варки стекла возможно за счет совершенствования конструкций стекловаренных печей традиционного типа или создания стекловаренных печей принципиально новых конструкций, что позволит значительно улучшить технико-экономические показатели. Одна из основных тенденций проектирования и сооружения современных стекловаренных печей - создание однонаправленного движения тепломассы. По принципу отопления прямоточные стекловаренные печи могут быть: регенеративные, рекуперативные, прямого нагрева без рекуператора.
Конструктивно прямоточные печи отличаются небольшой глубиной варочного бассейна - 400 - 600 мм и зоны осветления - 150 - 400 мм [5]. Прямоточные печи четко диффенцированы на зоны (т.е. зоны силикатообразования, стеклообразования, перегрева, гомогенизации, осветления). В зависимости от особенностей и конкретных условий печь может работать как с барботированием стекломассы, так и без барботирования. При принятых в мировой практике температурных режимах в зоне варки (1500 - 1550С) [5] по газопламенному пространству на прямоточных печах может быть обеспечен удельный съем стекломассы до 2,5 тонн/м в сутки и более. Суточная производительность прямоточных печей, спроектированных и работающих в промышленности - от 1,5 до 100 тонн, но наиболее распространена и удобна для эксплуатации печь производительностью от 15 до 80 тонн/сут. Сочетание конструкции бассейна прямоточной печи, рекомендуемой НИИСтекла [5], с регенеративным или рекуперативным подогревом воздуха, дает возможность достичь относительно высоких технико-экономических показателей. КПД прямоточной печи повышается на 25-30 % по сравнению с сопоставимой по размерам и производительностью печи с традиционной конструкцией варочного бассейна. КПД регенеративных прямоточных печей составляет 30-45 %, а рекуперативных 25-30 %.
Несмотря на то, что по данным НИИСтекла регенеративные печи имеют более высокие значения коэффициента полезного действия, по нашему мнению, следует рекомендовать применение рекуперативных печей по следующим причинам: 1. Рекуперативные печи отличаются простотой конструкции и эксплуатации, стабильностью теплового режима, требуют в несколько раз меньше капитальных затрат [6]; 2. Основным недостатком рекуперативных печей прямого нагрева является плохая утилизация теплоты продуктов сгорания, что в комплексных системах практически не имеет значения, так как после рекуператоров теплота используется в других элементах установки [1 ]; 3. К недостаткам регенераторов можно отнести нестационарность теплового режима, интенсивное шлакование и разъедание огнеупорных материалов плавильным уносом, а также сравнительно малую удельную производительность и сложность дальнейшего использования теплоты уходящих газов. Регенераторы Регенераторы могут стать причиной выхода из строя печи, так как они зачастую порождают утечки стекла из варочной части печи. При варке высококоррозионных марок стекла проблемы с регенераторами могут быть такими сложными, что их можно будет решить только используя рекуператоры, электрические печи или специальную технологию кислородного дутья. По материалам журнала «Glass machinery plants accessories» наиболее вероятными причинами выхода из строя регенераторов являются: - разрушение регенеративных насадок из-за значительной коррозии; - засорение насадок регенераторов конденсатами отработанных газов; - разрушение сводов регенераторов; - деформация стенок регенераторов; - появление отверстий в стенках регенераторов, приводящих к перемешиванию воздушных и газовых потоков.
Насадки регенераторов обычно изготавливаются из основного огнеупора, алюмосиликатного огнеупора или, в последнее время, из бакора. Все эти огнеупорные материалы соответствуют задаче обеспечения максимальной регенерации теплоты. Рекуператоры В отечественной практике используются металлические и керамические рекуператоры. Керамические рекуператоры для высокотемпературного нагрева воздуха изготавливаются из материалов, обладающих достаточной огнеупорностью, малой пористостью, шлаковой и термической стойкостью, повышенной теплопроводностью. В основном это шамотокарборунд и карборунд. Главным недостатком керамических рекуператоров является крайне низкая газоплотность. Керамические рекуператоры по сравнению с металлическими имеют худшие показатели: 1 м2 воздушной поверхности имеет в 5 раз меньшую эффективность тепловосприятия и в 6—10 раз большую массу.
В дальнейшем ограничимся рассмотрением разновидностей металлических рекуператоров в их сопоставлении с позиции повышения эффективности использования природного Таза в стекловаренных печах и определение их роли и значения в системе теплообменников, обеспечивающих комплексное энерготехнологическое использование топлива.
Металлические рекуператоры получили большее распространение в промышленности по сравнению с керамическими в первую очередь из-за высокой газоплотности, достигающей 100% при сварном исполнении, и большой удельной теплопроводности, что, в свою очередь, резко снижает стоимость и размеры теплообменников.
Использование теплоты продуктов сгорания в агрегате -источнике ВЭР
Регенераторы обеспечивают высокотемпературный нагрев воздуха, однако из-за необходимости попеременного нагрева огнеупорных насадок уходящими газами и последующего использования аккумулированной насадками теплоты для нагрева воздуха, процесс в них осуществляется периодически. Применение рекуператоров (менее громоздких по сравнению с регенераторами) в некоторых случаях также затруднено из-за необходимости размещения не только рекуператоров, но и системы трубопроводов для отвода продуктов сгорания от печей в рекуператоры и отвода нагретого в рекуператорах воздуха к горелкам.
Для использования больших ресурсов физической теплоты уходящих газов промышленные печи в ряде случаев можно оснащать более компактными установками - рекуперативными горелками.
К преимуществам рекуперативных горелок следует отнести возможность снижения металло- и материалоемкости печной установки, существенного уменьшения расхода жаропрочной стали на рекуператоры и отказа от изоляции трубопроводов, подводящих горячий воздух к горелочным устройствам печи, а также возможность топочного поддержания заданного температурного режима в печном агрегате, так как децентрализованная рекуперация теплоты уходящих газов позволяет использовать систему регулирования «включено - выключено», обеспечивая высокую равномерность температур в рабочем объеме печи. Отсутствие тепловых потерь при транспортировке подогретого воздуха позволяет получить экономию топлива большую, чем при установке на печи одного рекуператора, обслуживающего все горелки [75, 76].
С целью обеспечения компактности конструкции рекуперативные горелки разрабатываются по аналогии или основе горелок с высокотемпературным потоком продуктов сгорания.
При применении рекуперативного подогрева воздуха следует считаться с тем, что применение рекуператоров эффективно при нагреве воздуха до умеренных температур, а при высокотемпературном нагреве необходимы дорогие жаростойкие материалы. Часто возникают дополнительные капиталовложения, вызванные усложнением конструкции печи. Кроме того, необходимо обратить внимание на тот факт, что с повышением температуры предварительного нагрева воздуха меняется и качество продуктов сгорания (возможно увеличение выхода оксидов азота). Применение рекуперативного нагрева воздуха следует рассматривать в сочетании с другими методами использования уходящих газов. На предприятиях стекольной промышленности сжатый воздух требуется для обеспечения работы пневматических поддержек, патронов и силовых головок для зажима деталей, приспособлений и т.д. Уменьшение расхода сжатого воздуха существенно влияет на общезаводской энергетический баланс. Подогрев сжатого воздуха, поступающего в пневматические приемники, является простым и вместе с тем весьма эффективным средством снижения его расхода при подогреве, увеличивается удельный объем воздуха и уменьшается его валовой расход. При неизменном давлении можно считать, что удельный объем воздуха изменяется прямо пропорционально изменению абсолютной температуры. На рис. 2.3. приведены кривые экономии сжатого воздуха в зависимости от степени подогрева и начальной температуры (О, 20,-40С) [1].
Особенно выгоден подогрев за счет теплоты отходящих газов технологических печей. Для утилизации теплоты продуктов сгорания в этом случае применяются трубные змеевики, опущенные в боров от печей, или гладкотрубные теплообменники, расположенные над печью или рядом с ней. Выбор схемы установки теплоутилизаторов зависит от конкретных условий.
Ростовским государственным строительным университетом разработан ряд установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа, включающих в себя в качестве одной из ступеней утилизации - подогрев сжатого воздуха [1].
Для обеспечения длительной и бесперебойной работы подогревателя необходимо соблюдать следующие основные правила: - температура продуктов сгорания на входе в подогреватель не должна превышать 600-650С; - обеспечить непрерывное протекание сжатого воздуха через подогреватель; - периодически проверять рабочее состояние теплообменника (утечки, качество сварных соединений); - отключение подогревателя разрешается только тогда, когда источник теплоты не работает. В противном случае вероятно перегорание подогревателя; - исключить попадание масла в подогреватель и подогретого воздуха в воздухосборник и маслоотделители. Подогрев сжатого воздуха до 150С обеспечивает безопасность эксплуатации систем сжатого воздуха.
Исследование и разработка энергосберегающих схем размещения теплообменного оборудования в трактах продуктов сгорания установок
Одной из задач, составляющих проблему оптимизации схемотехнического решения УКИТ, является выявление влияния характеристик теплообменных процессов, протекающих в теплообменных устройствах установки, на расход электроэнергии электродвигателем дымососа.
Характерной особенностью УКИТ является то, что утилизация теплового потенциала продуктов сгорания осуществляется ступенчато, теплообменники устанавливаются в тракте продуктов сгорания установки последовательно и, следовательно, работают при разных значениях температур продуктов сгорания во входных патрубках теплообменников и различных температурных напорах теплообменивающихся сред. При этом температуры продуктов сгорания во входных патрубках теплообменников изменяются в пределах от 1100 С до 150 С. Это обусловливает необходимость использования в УКИТ различных по конструкции и принципу работы теплообменников, в том числе гладкотрубных типа «труба в трубе», с оребренными теплообменными поверхностями, контактных и др. Следует отметить, что в процессе проектирования и расчета теплообменных устройств УКИТ используются преимущественно методики, заимствованные из смежных областей техники и содержащие ряд допущений, нуждающихся в дополнительных обоснованиях. Прежде всего это относится к аэродинамическому расчету тракта продуктов сгорания и, в частности, к определению потерь давления продуктов сгорания в теплообменниках при их работе в режимах, которые не отражены в технических характеристиках теплообменных устройств.
Определим зависимость величины механической мощности, потребной для перемещения продуктов сгорания по тракту, от аэродинамических характеристик теплообменников при соблюдении представленных выше исходных данных.
Очевидно, что в рамках принятых допущений величины Д/у, NM и V являются величинами постоянными, так как массовые расходы продуктов сгорания и их температуры на участках газоходов, соединяющих теплообменники, являются величинами постоянными. Поэтому при вариации аэродинамических характеристик теплообменников изменяются только величины NMT и 1,АРр, причем минимуму NM-p соответствует минимум ЕЛ/У Таким образом, задача поиска сочетания аэродинамических и тепловых характеристик теплообменников, при которых система, представленная на рис. 3.2.1, характеризуется минимальными энергозатратами на транспортировку продуктов сгорания по тракту сводится к минимизации величины ХЛ/у, определяемой выражением (3.2.24) и, следовательно, к условию X (твхі Кхі + твьіхі квьіхі) = min (3.2.26) Решение последнего уравнения относится к проблематике раздела математики, изучающего сочетания и перестановки, и может быть найдено на основе использования методов дискретного анализа.
Установки комплексного использования теплоты с системами кондиционирования воздуха
В связи с высокой температурой внутреннего воздуха в цехах выработки стекольных заводов в теплый период года необходимо устройство систем кондиционирования воздуха. Затраты энергии для получения охлажденной воды могут быть удовлетворены за счет использования теплоты продуктов сгорания.
Для улучшения условий труда в летний период, применительно к Аксайскому стекольному заводу, могут быть рекомендованы следующие схемы комплексного использования теплоты продуктов сгорания, которые оборудованы установками кондиционирования воздуха (схема I - рис. 4.5).
Природный газ сжигается в радиационных беспламенных горелках ванной печи прямого нагрева У, отводимые из печи продукты сгорания, с температурой 1100-1200С поступают в щелевой радиационный рекуператор 2. Подача нагретого воздуха, имеющего температуру 400С, к горелкам осуществляется дутьевым вентилятором 3. После рекуператора продукты сгорания с температурой 750-800С используются в отжигательных печах 4 и котле-утилизаторе КУ-16 для выработки піара. Температура продуктов сгорания (с учетом охлаждения в газоходах) на входе в печи отжига 720-750С, а на входе в котел утилизатор - 620С (за счет подмешивания воздуха из цеха).
В котле-утилизаторе 6 вырабатывается пар в количестве 2,8 т/час, давлением 7,0 кг/см . В летний период часть пара в количестве 2,0 т/час направляется в пароэжекторную холодильную установку 7. Другая часть используется в водоподогревателе системы горячего водоснабжения. После котла-утилизатора продукты сгорания дымососом 12 через дымовую трубу 13 выбрасываются в атмосферу.
В холодильной машине 7 используется энергия давления пара. Из испарителя холодильной установки охлажденная вода (+10С) насосом 9 подается к камере орошения центрального кондиционера 10. Отработанная в камере орошения вода насосом 8 возвращается в испаритель. Для отвода теплоты от конденсатора холодильной машины предусматривается интенсивная пленочная градирня ГПВ-160.
Обработанный до требуемых параметров воздух вентилятором 11 центрального кондиционера подается в производственные помещения. Применение кондиционирования воздуха в цехах выработки стекольных заводов особенно важно, учитывая тяжелые условия труда на большинстве технологических операций.
В зимний период центральный кондиционер работает по адиабатному циклу, а весь пар от котла-утилизатора используется для нагрева воды, для отопления, вентиляции и горячего водоснабжения производственных и вспомогательных помещений завода.
Рассмотренная схема была рекомендована для внедрения на Аксайском стекольном заводе. В схеме 2 (рис. 4.6) для получения охлажденной воды для системы кондиционирования воздуха применена абсорбционная (бромисто-литиевая) холодильная установка, что позволяет отказаться от котла-утилизатора. Абсорбционные машины требуют затраты незначительного количества электроэнергии, и при наличии дешевого источника теплоты получение
Процесс использования теплоты продуктов сгорания в этом случае осуществляется по следующей" схеме. Природный газ сжигается в радиационных беспламенных горелках ванной печи прямого нагрева 7, отводимые из печи продукты сгорания с температурой 1100-1200С направляются в щелевой радиационный рекуператор 2. Дальнейшее использование теплоты уходящих газов, имеющих температуру 750-800С, предусматривается в отжигательных печах 4, в абсорбционной холодильной установке (в летний период) и в игольчато-ребристом чугунном воздухонагревателе системы воздушного отопления (в зимний период). В зимний период центральный кондиционер работает по адиабатному циклу и, следовательно, потребность в охлажденной воде отпадает. В этом случае располагаемая теплота продуктов сгорания используется для воздушного отопления производственных и вспомогательных помещений.
