ОСНОВЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ

Технологические схемы производства энергоносителей за счет использования ВЭР

Принципиальная схема использования энергетических ресурсов в аг­регатах-источниках ВЭР и распределения энергетических потоков при

утилизации ВЭР приведена на рис. 13.1 [41].

У всех энерготехнологических установок, в результате работы кото­рых образуются ВЭР, есть общая особенность - эффективность использо­вания топлива повышается, если в этой установке топливо максимально используется непосредственно для реализации технологического процесса [45 - 47, 50].

Обычно это достигается за счет регенерации, рекуперации и рецир­куляции отходящей теплоты в самом источнике вторичных энергетических ресурсов. Примером реализации такой схемы может быть установка за на­гревательными, термическими печами теплообменников для подогрева дутьевого воздуха, подаваемого на горение в эти печи.

Увеличение температуры дутьевого воздуха на каждые 60 °С снижа­ет расход топлива на печной агрегат на 2 %. Причем, используя такой при­ем, можно снизить температуру отходящих газов до 150 °С. Иными слова­ми, необходимость использования оставшегося потенциала дымовых газов в виде ВЭР может быть целесообразной только при наличии потребителей низкопотенциального тепла.

Большое значение здесь имеет вид технологического процесса. По­кажем это на примере использования в энергетике технологии когенерации - т. е. обеспечения комбинированного производства электрической (или механической) и тепловой энергии из одного и того же первичного источ­ника.

При эксплуатации традиционных (паровых) электрических станций в связи с технологическими особенностями процесса генерации энергии большое количество выработанного тепла сбрасывается в атмосферу через конденсаторы пара, градирни и т. п. Большая часть этого тепла может быть использована в системах когенерации. Сравнение когенерации и раздель­ного производства электричества и тепла показывает, что КПД с 30 - 50 % для электростанции может быть повышен до 80 - 90 % в системах когене­рации на базе двигателей внутреннего сгорания (ДВС) - табл. 13.2 [51].

Но в большинстве своем температура отходящих газов различных промышленных печей и нагревательных устройств колеблется от 450 - 700 °С (в печах с регенераторами) до 900 °С в термических, прокатных и кузнечных (без регенерации), что позволяет в котлах-утилизаторах выра­батывать пар для технологических и энергетических нужд (табл. 13.3, 13.4).

В этих случаях охлаждение продуктов сгорания в котлах - утилизаторах происходит от 450 - 650 до 200 - 230 °С, для этого применя­ют в основном котлы-утилизаторы с многократной принудительной цир­куляцией (МПЦ). В котлах этого типа (рис. 13.2) циркуляция осуществля­ется за счет работы специального циркуляционного насоса, вследствие че­го допустимо повышенное гидравлическое сопротивление циркуляционно­го контура.

Таблица 13.3

Показатели выхода тепловых ВЭР для некоторых энергоемких технологий

[56]

Окончание табл. 13.3

Главными преимуществами котлов МПЦ, обусловившими их широ­кое 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 змееви­ковых пакетов, обусловливающая компактность установки и возможность блочного изготовления и монтажа, что особенно важно при размещения котлов в неприспособленных для этого помещениях производственных це­хов [45].

Кроме того, нагревательные печи, как правило, оборудованы систе­мой охлаждения отдельных элементов конструкции, работающих в тяже­лых температурных условиях. Обычно охлаждение элементов достигается за счет пропуска через их внутреннюю полость воды, отнимающей тепло, поглощаемое конструкцией. Так работают фурмы доменных печей, кессо­ны мартеновских печей, глиссажные трубы методических печей и др.

Потери тепла с охлаждающей водой составляют заметную величину в тепловом балансе любой металлургической печи. Например, в мартенов­ских печах эти потери составляют до 15 - 20 % от всего расходуемого на печь тепла.

Количество тепла, уносимое охлаждающей водой, может быть зна­чительно уменьшено посредством изоляции охлаждаемых элементов. На­пример, изоляция лобовой поверхности кессонов мартеновской печи сни­жает 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 ох­лаждаемых элементов связано с очень большими, часто непреодолимыми трудностями [45].

Наиболее целесообразным способом использования тепла охлаж­дающей воды является организация испарительного охлаждения, при ко­тором в охлаждаемом элементе происходит частичное испарение охлаж­дающей воды. Вследствие использования скрытой теплоты парообразова­ния разность i2 - i1 возрастает до 2300 - 2500 Дж/кг (550 - 600 ккал/кг) и расход воды сокращается в десятки раз. Пар, получаемый из системы ис­парительного охлаждения, значительно легче использовать, чем горячую воду.

Количество получаемого в системе испарительного охлаждения пара D может быть подсчитано по формуле, кг/ч:

D = Q/(i2 - І1),

где Q - количество отводимого тепла, Дж/ч (ккал/ч); i2 - энтальпия полу­чаемого насыщенного пара, Дж/кг (ккал/кг); i1 - 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 рентабель­ным питание системы химически очищенной водой, благодаря чему срок службы охлаждаемых элементов увеличивается в несколько раз. Образо­вание пара внутри охлаждаемого элемента вызывает в контуре системы испарительного охлаждения (рис. 13.3) естественную циркуляцию. Дви­жущей силой циркуляции является разность давления Ар, Н/м, столба во­ды и столба пароводяной смеси высотой Н, м:

АР = &Н(Рв - РпХ

где рв, рп - плотность воды и пароводяной смеси, кг/м[4]; g - ускорение силы тяжести, м/с2.

На металлургических и машиностроительных предприятиях тепло­вые ВЭР сравнительно высоких параметров образуются в основном в мар­теновских, нагревательных и термических печах в виде теплоты уходящих газов и теплоты охлаждения установок, печей, продукции. Кроме того, низкопотенциальная теплота содержится в отработанном паре, образую­щемся в процессе работы прессов и молотов [41].

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 агломерацион­ном и ферросплавном производствах (средняя температура шлаков колеб­лется в пределах 500 - 550 °С).

На предприятиях машиностроения в настоящее время тепловыми от­ходами 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 обра­зуются при обжиге цементного клинкера и керамических изделий, произ­водстве стекла, кирпича, извести, огнеупоров, выплавке теплоизоляцион­ных материалов. К ним относится физическая теплота уходящих газов раз­личных печей (туннельных, шахтных, вращающихся и т. д.).

Крупными потребителями пара различных параметров, электроэнер­гии, горячей и теплой воды, а также холода являются почти все отрасли пищевой промышленности, поэтому и тепловые ВЭР предприятий пище­вой промышленности также весьма разнообразны. Это, прежде всего, теп­лота отходящих горячих газов и жидкостей; жидких и твердых отходов производства; отработанного пара силовых установок и вторичного пара, который получается при выпаривании растворов, ректификации и высу­шивании; тепловых установок; теплота, содержащаяся в продуктах произ­водства.

Как уже отмечалось, вторичные энергоресурсы имеются также на тепло - и гидроэлектростанциях. На гидроэлектростанциях отходы теплоты образуются в результате тепловыделения в электрогенераторах. Для тепло­вых электростанций наиболее существенный источник ВЭР - низкопотен­циальная теплота нагретой охлаждающей воды конденсационных уст­ройств, с которой может теряться до 50 % теплоты топлива, расходуемого на электростанции. Источником ВЭР считаются также дымовые газы ко­тельных установок на паротурбинных станциях или отходящие продукты сгорания газотурбинных установок [49].

Для охлаждающих установок источником тепловых ВЭР может слу­жить нагретая охлаждающая вода из воздухоохладителей и регенератив­ных теплообменных аппаратов. Источником ВЭР может быть нагретая ох­лаждающая 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 различ­ных отраслях промышленности выступают технологические аппараты, как правило, недостаточно совершенные с энергетической точки зрения, по­скольку современная технология допускает работу технологических уста­новок с низким коэффициентом использования топлива.