Размещено на http://www.allbest.ru/

Курсовая работа

на тему: «Вторичные энергоресурсы»

Содержание

Введение

1. Общая характеристика вторичных энергетических ресурсов

2. Определение параметров вторичных энергетических ресурсов

3. Использование тепла отходящих газов печей в производственных нагревателях и энергетических установках

3.1 Энергетические теплоиспользующие установки

3.2 Производственные нагреватели

3.3 Энергетические теплоиспользующие установки

3.4 Использование пара котлов-утилизаторов

3.5 Использование отработавшего производственного пара и пара испарительного охлаждения промышленных печей

3.6 Использование нагретой производственной и сливной бытовой воды

3.7 Использование тепла прочих вторичных энергоресурсов

Список использованной литературы

Введение

В результате энергетического обслуживания тех или других процессов отработавшие энергоносители превращаются в тепловые отходы, которые могут быть использованы для энергетических целей. Такие тепловые отходы называются вторичными энергоресурсами. Особенно значительными вторичными энергоресурсами располагают промышленные предприятия

Вторичные энергоресурсы достигают в ряде отраслей промышленности 30-60% и более от соответствующего суммарного расхода топлива (черная и цветная металлургия, химические производства и др.).

Использование вторичных энергоресурсов снижает общий расход топлива и уменьшает размеры энергопотребления, покрываемого централизованным путем от энергоснабжающей системы. Поэтому рациональное, т. е. технико-экономически обоснованное, использование внутренних ресурсов промышленных предприятий должно производиться, возможно, более полно.

1. Общая характеристика вторичных энергетических ресурсов

В табл. 1 дается общая характеристика возможных вторичных энергоресурсов современных промышленных предприятий.

Из перечисленных в табл. 1 вторичных энергоресурсов основными являются:

1) отходящие горючие газы металлургических печей и нефтеперерабатывающих агрегатов;

2) отходящие горячие газы промышленных печей;

3) отработавший и вторичный производственный пар;

4) нагретая охлаждающая вода и пар испарительного охлаждения промышленных печей.

При этом горючие газы, ввиду их значительной теплоты сгорания и транспортабельности, следует рассматривать как разновидности топлива, используемые для технологических и энергетических целей.

Остальные разновидности вторичных энергоресурсов имеют только частичное, далеко еще недостаточное, использование или же полностью теряются, как, например, тепло расплавленных металлов и шлаков промышленных печей.

Отходящие горючие газы металлургических печей и нефтеперерабатывающих агрегатов. К таким горючим газам относятся (табл.1):

1) коксовый газ, получаемый в коксовых печах и дающий в среднем 14,5% тепла от всего тепла топлива, поступающего в коксовые печи;

2) доменный газ, выходящий из доменных печей и содержащий около 49% всего поступающего в доменные печи тепла;

3) нефтяной газ, получаемый в нефтеперерабатывающих агрегатах крекинг-установок и содержащий в среднем около 8% тепла перерабатываемого жидкого топлива.

Таблица 1. Общая характеристика вторичных энергоресурсов современных промышленных предприятий

Энергоносители потребления	Вторичные энергоресурсы
	разновидности энергоресурсов	качественные параметры
Твердое, жидкое и газообразное топливо для обслуживания технологических высокотемпературных процессов (промышленные печи) и охлаждающая вода Газ и жидкое топливо для обслуживания технологических процессов (двигатели внутреннего сгорания генераторных, воздуходувных и компрессорных агрегатов) и охлаждающая вода Горючее технологическое сырье (в предприятиях металлургической, деревообрабатывающей, текстильной, пищевой и т. п. отраслях промышленности) Пар для обслуживания технологических силовых процессов (в молотовых, прессовых и штамповочных агрегатах) и нагревательных процессов Горячая вода для бытового теплопотребления Электроэнергия	1) Отходящие горючие газы коксовых и доменных печей: а) коксовый газ б) доменный газ 2) Отходящие горючие газы предприятий нефтяной промышленности 3) Отходящие горячие газы промышленных печей 4) Нагретая охлаждающая вода и пар испарительного охлаждения промышленных печей 5) Тепло, выделяемое расплавленными металлами и шлаками промышленных печей 1) Горячие газы, отходящие из двигателей внутреннего сгорания 2) Нагретая охлаждающая вода, отходящая из двигателей внутреннего сгорания Горючие твердые и жидкие топливные отходы производства 1) Отработавший производственный пар 2) Вторичный производственный пар 3) Горячая сливная вода (загрязненный конденсат) Горячая сливная вода Внутренние тепловыделения в производственных помещениях	а)Qpн=3500ч ч4500 ккал/м3 б)Qpн=800ч960 ккал/м3 Qpн =10000ч15000 ккал/м3 tо.г ? 400ч1000 °С to.в ? 95°С Ри.о = 1,6 ч 4 ата tотх > 1000°С tо.г = 350ч600°С tо.в< 100°С Qpн ? 1000 ккал/кг Ро.н = 1,3 ч 1,5 ата Рв.п ? 1 ата t < 100° С t < 50° С t <100° С

Примечание. Q^p_н - рабочая низшая теплота сгорания

В настоящее время перечисленные горючие газы в первую очередь используются как технологическое топливо для производственных агрегатов, а частично (коксовый и нефтяной газы) в качестве химического сырья. Только в незначительной степени эти газы используются как энергетическое топливо в местных энергетических установках.

Необходимо учитывать, что при современной технологии металлургического производства некоторые потери газа (около 5% для доменного и 1% для коксового газов) практически неизбежны. Потери же сверх этих значений в большинстве случаев могут быть ликвидированы.

Отходящие горячие газы промышленных печей. Промышленное использование топлива до настоящего времени связано с огромными потерями, достигающими 70-80% заключающейся в нем тепловой энергии.

Тепловой к. п. д., понимаемый как отношение тепла, использованного на технологический процесс, к теплу затраченного топлива, для большинства промышленных печей не превышает 20-30% (в частности, для плавильных и нагревательных печей металлургической, машиностроительной, цементной, керамической и других отраслей промышленности). При этом особенно велики потери тепла с отходящими газами, составляющие в среднем 30-50% и снижающиеся лишь для отдельных типов промышленных печей до 20%.

Для одной и той же промышленной печи количество отходящих газов при нормальном рабочем режиме более или менее постоянно.

Температура отходящих газов перед теплоутилизационной установкой зависит от следующих факторов: назначения и общей тепловой схемы производственного агрегата, охлаждения и разбавления отходящих газов присасываемым воздухом, а также от наличия и параметров предвключенных производственных нагревателей, являющихся элементами промышленных печей.

Средние возможные значения температуры отходящих газов (перед теплоутилизационной установкой) указаны в табл. 1.

При определении величины располагаемых вторичных энергоресурсов в виде отходящих горячих газов необходимо учитывать также возможную их запыленность легкоплавким уносом, в особенности в шахтных и других печах предприятий цветной металлургии.

Применение кислородного дутья для промышленных печей путем обогащения вдуваемого в них воздуха кислородом до 30% и более сделает ненужными производственные нагреватели доменных, сталеплавильных и других печей. При этом температура отходящих печных газов значительно повысится.

Отработавший и вторичный производственный пар. Отработавший производственный пар получается в производственных агрегатах, служащих главным образом для пластической обработки металлов, т. е. молотах, прессах, ковочных машинах.

Давление отработавшего производственного пара составляет в среднем 1,2-1,5ата. Температура его зависит от начальных параметров пара перед агрегатами (молотами, прессами и т. п.) и от относительного внутреннего к. п. д. последних, составляя при теплоснабжении производственных агрегатов от ТЭЦ около 150-160° С.

Общее количество отработавшего производственного пара в среднем составляет 80-90% от количества подаваемого в цех производственного пара и является значительным вторичным энергоресурсом металлообрабатывающих и машиностроительных предприятий.

До настоящего времени отработавший производственный пар используется для энергоснабжения потребителей еще далеко недостаточно.

Многие производственные процессы, связанные с нагревом или выпаркой той или другой продукции, дают вторичный пар с давлением, близким к атмосферному. Подобные тепловые отходы имеют место, например, в предприятиях сахарной, спиртовой, содовой, сульфатцеллюлозной и других отраслей промышленности и представляют собой довольно значительные вторичные энергоресурсы.

Нагретая охлаждающая вода и пар испарительного охлаждения промышленных печей и горячая сливная вода производственного и бытового теплопотребления. Наиболее значительные тепловые отходы в нагретой охлаждающей воде дают сталеплавильные (мартеновские) печи, в которых потери тепла в охлаждающей воде составляют от 16 до 25% расходуемого топлива. Однако эти вторичные энергоресурсы имели до последнего времени ограниченное применение ввиду невысокой температуры, нагретой охлаждающей воды (ниже 100° С) и возможности обслуживания ею только низкотемпературных процессов, в основном сезонного характера.

В среднем на 1m выплавляемой в мартеновской печи стали потери тепла в охлаждающей воде, нагретой до 90-95° С, составляют около 180 000 ккал.

В последнее время все шире применяется испарительное охлаждение металлургических печей для замены холодной охлаждающей воды, кипящей водой и использования скрытой теплоты парообразования при отводе тепла от охлаждаемых деталей печи.

Преимуществами испарительного охлаждения перед водяным являются: увеличение надежности работы печи; удлинение срока службы охлаждаемых деталей; резкое сокращение расходов воды (в 35-50 раз) и отсутствие охладительных устройств, насосных станций и водопроводов больших диаметров; утилизация тепла, теряемого с охлаждающей водой, за счет использования получаемого пара.

На испарительное охлаждение переведен уже ряд сталеплавильных (мартеновских) печей. Выход пара от испарительного охлаждения мартеновских печей составляет 0,22 т на 1 т чугуна (в пересчете на чугун) при давлении 1,6-4 ата.

В настоящее время внедряется также испарительное охлаждение доменных и нагревательных печей. Потери тепла доменными печами с охлаждающей водой составляют от 3 до 5% и колеблются от 4 до 6 Мккал/ч на печь. Потери тепла нагревательными печами с охлаждающей водой колеблются от 15 до 25% и составляют от 1,5 до 2,5 Мккал/ч.

Горячая сливная вода производственного и бытового теплопотребления при температуре порядка 30° С и выше до настоящего времени практического использования не имеет.

Горючие отходы технологических производств. Горючие отходы технологических производств подразделяются на следующие:

а) горючие твердые отходы, получаемые в виде размельченного твердого металлургического топлива - коксика (коксового орешка) с теплотой сгорания Q^p_н=7000 ккал/кг и коксовой мелочи (Q^p_н =6500 ккал/кг), а также в виде прочих твердых горючих отходов технологических производств;

б) горючие жидкие отходы, получаемые в нефтеперерабатывающих и других предприятиях в виде крекинг-мазута (Q^p_н=10 000 ккал/кг) и т. д.

Прочие вторичные энергоресурсы промышленных предприятий. К прочим вторичным промышленным энергоресурсам относятся:

а) тепло, выделяемое лучеиспусканием промышленных печей и их продукцией (гасимым коксом, жидкими и остывающими металлами и их шлаками и т.п.);

б) тепло, выделяемое в производственных помещениях при потреблении электроэнергии.

Из современных коксовых печей вместе с 1 т раскаленного кокса уносится около 300 000 ккал тепла, что составляет 45-50% всего тепла топлива, затрачиваемого на его выжиг. При огромных масштабах коксового производства эффективное использование теряемого с раскаленным коксом тепла имеет большое значение, но это тепло еще практически почти не используется. Использование тепла шлаков затрудняется ввиду перехода их из жидкого состояния в твердое при уменьшении температуры до 900-1000° С и ниже.

2. Определение параметров вторичных энергетических ресурсов

Как показывает сделанная выше характеристика вторичных энергоресурсов, использование этих энергоресурсов может значительно уменьшить расчетные тепловые и электрические нагрузки энергопроизводящих установок, работающих на топливе.

При этом ряд вторичных энергоресурсов, например, отработавший производственный пар, нагретая охлаждающая вода, пар испарительного охлаждения, может быть непосредственно использован для покрытия средне- и низкотемпературных тепловых нагрузок, т. е. без применения для этой цели специальных энергопроизводящих установок.

Поэтому, при составлении вариантов энергоснабжения предприятия, необходимо в каждом из вариантов определять в первую очередь наиболее рациональное использование получаемых вторичных энергоресурсов. В остальной части потребности предприятия в разных видах энергии должны покрываться от установок, работающих на первичных энергоресурсах.

Для этого, после установления потребностей предприятия в энергии, в каждом из вариантов энергоснабжения должны определяться сперва начальные качественные и количественные параметры вторичных энергоресурсов.

К качественным параметрам вторичных энергоресурсов относятся начальные температуры (t, °C) и давление (р, ата) соответствующего теплоносителя и его удельная теплоемкость (с, ккал/кг • град или ккал/нм³ • град) или рабочая низшая теплота сгорания (Q^р_н ккал/кг или ккал/нм³).

Основными количественными параметрами вторичных энергоресурсов являются максимальное и среднее часовые количества этих теплоносителей за характерные зимние и летние рабочие сутки, а также годовые количества.

В частности, для наиболее значительного из вторичных энергоресурсов промышленности - отходящих горячих газов промышленных печей - количество тепла в отходящих газах (Q_о.г) определяется следующим образом:

Q_о.г = V_о.г•t_о.г•c_г•B•i_о.г [ккал/ч], (2-1)

где: V_о.г - количество газов, нм³/ч; t_о.г - температура отходящих газов, °С; c_г - средняя теплоемкость газов, ккал/нм³•град; В - часовой расход топлива печью, кг/ч или нм³/ч; i_о.г - удельная энтальпия отходящих печных газов, ккал/кг топлива или ккал/нм³ топлива, при этом

i_о.г = х_о.г•t_о.г•c_г

здесь х_о.г - количество отходящих газов на кг или нм³ топлива.

Средняя теплоемкость при постоянном давлении для дымовых газов типового состава (с_г) и воздуха (с_в) может приближенно определяться по следующим формулам:

с_г = 0,32 + 0,000039 t_г [ккал/нм³ •град]; (2-2)

с_в = 0,31 + 0,000026 t_в [ккал/нм³ •град], (2-3)

где t_r и t_в - температуры дымовых газов и воздуха, °С.

Начальное количество тепла отработавшего производственного пара (Q_о.п) по выходе из производственных агрегатов:

Q_о.п = D_o.п•i_о.п [ккал/ч], (2-4)

где В_o.в - количество отработавшего производственного пара, кг/ч; i_о.п - удельная энтальпия отработавшего пара, ккал/кг.

Аналогично определяется начальное количество тепла вторичного производственного пара и пара испарительного охлаждения.

Начальное количество тепла нагретой охлаждающей воды, выходящей из производственного агрегата,

Q_о.в = В_o.в•t_н•с [ккал/ч], (2-5)

где В_o.в - количество охлаждающей воды, кг/ч; t_н - температура нагретой охлаждающей воды, °С; с - удельная теплоемкость воды, ккал/кг•град.

По формуле, аналогичной формуле (2-5), определяется также количество тепла в горячей сливной воде.

Количество тепла в горючих отходах технологических производств

Q_г.о = В_г.о•Q^(р)_н [ккал/ч], (2-6)

где В_г.о - количество горючих отходов производства, кг/ч; Q_г.о - рабочая низшая теплота сгорания горючих отходов, ккал/кг.

Начальные качественные и количественные параметры вторичных энергоресурсов являются исходными данными для составления в дальнейшем соответствующих подвариантов использования вторичных энергоресурсов и выбора наиболее рационального из них в каждом из рассматриваемых вариантов энергоснабжения предприятия.

3. Использование тепла отходящих газов печей в производственных нагревателях и энергетических установках

Высокотемпературные огнетехнические процессы, широко применяемые в промышленных печах, имеют минимальные з_т, т. е. дают наибольшие количества физического тепла в отходящих горячих газах печей. Физическое тепло этих газов частично используется в производственных нагревателях для нагрева одного или двух газообразных компонентов горения, а также для нагрева обрабатываемого материала или шихты. В остальной - основной части физическое тепло отходящих газов используется только в некоторых случаях для энергетических целей, преимущественно в паровых котлах-утилизаторах.

Для большинства промышленных печей высокий температурный уровень отходящих газов огнетехнических производственных процессов сочетается с непрерывностью поступления этих газов по более или менее устойчивому графику. Поэтому возможно полное использование физического тепла отходящих газов, как в производственных нагревателях, так и в теплоиспользующих энергетических установках представляется вполне рациональным.

3.1 Энергетические теплоиспользующие установки

Для использования физического тепла отходящих газов промышленных печей применяются следующие разновидности энергетических теплоиспользующих установок:

1) установки для подогрева воды;

2) установки для подогрева воздуха;

3) паровые котлы-утилизаторы;

4) газотурбинные установки, встроенные в запечный газовый тракт.

Первые две разновидности энергоустановок имеют ограниченное применение.

Горячая вода (t_в ? 130 ч 150° С), получаемая в установках на отходящих газах, может применяться для отопительно-вентиляционных и бытовых целей и других нагревательных процессов.

Ввиду сезонности большинства основных потребителей тепла горячей воды, достаточно полное годовое использование горячей воды при сколько-нибудь значительной тепловой мощности утилизационных установок не представляется возможным.

Подогрев воздуха в теплоиспользующих установках отходящими газами местных промышленных печей может производиться:

а) для пластической обработки металлов воздушными молотами или прессами, причем сжатый воздух подогревается до 250° С;

б) для нагревательных (сушки) и отопительно-вентиляционных целей в местных производственных помещениях.

Пар, получаемый в котлах-утилизаторах, может быть использован:

а) для производственных, нагревательных, отопительно-вентиляционных и бытовых тепловых целей;

б) для выработки электроэнергии или производства механической работы при раздельном энергопроизводстве;

в) для получения теплофикационной электроэнергии или механической работы агрегатов при комбинированном энергопроизводстве на базе тепловых производственных, отопительно-вёнтиляционных и бытовых нагрузок.

Количество газов, отходящих из промышленной печи, при нормальном режиме работы последней, как отмечено выше, более или менее постоянно. При переменном режиме работы некоторых небольших промышленных печей, возможно, включать на параллельную работу соответствующие котлы-утилизаторы.

Установки с паровыми котлами-утилизаторами могут обеспечивать наиболее полное и рациональное использование физического тепла отходящих печных газов, как для теплоснабжения потребителей, так и для выработки электроэнергии при комбинированном или раздельном энергопроизводстве.

Область целесообразного применения паровых котлов-утилизаторов за печами зависит от начальной температуры отходящих газов и от тепловой мощности промышленных печей, т. е. от количества потребляемого ими топлива.

Приближенно можно считать, что использование тепла отходящих газов промышленных печей путем установки паровых котлов-утилизаторов является рациональным, когда располагаемое количество тепла в отходящих газах превышает 2-3 Мккал/ч при годовом использовании не менее 4000 ч и при температуре газов перед котлом-утилизатором не ниже 500° С.

Таким образом, при энергетическом использовании физического тепла отходящих печных газов основным рабочим теплоносителем является почти всегда водяной пар, вырабатываемый в котле-утилизаторе.

При повышении начальных параметров пара на электростанции с котлами-утилизаторами увеличивается выработка электроэнергии при одинаковых количествах пара и одинаковых конечных давлениях пара за турбиной. В то же время повышение начальных параметров пара удорожает тепловую электростанцию. Поэтому при выборе начальных параметров пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства на ТЭЦ следует учитывать также возможные условия внешнего энергоснабжения и соответствующую удельную стоимость условного топлива. Комбинированное использование пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения и электроснабжения потребителей в каждом случае должно быть экономически обосновано.

В настоящее время применяются следующие основные конструктивные типы котлов-утилизаторов:

1) газотрубные котлы-утилизаторы, используемые в установках малой мощности с низким давлением пара р₀ ? 15 ата и для начальной температуры отходящих газов t_о.г.н = 700 ч 800°С;

2) змеевиковые котлы-утилизаторы с многократной принудительной циркуляцией для начальных параметров пара р₀ ? 18 ата, t₀ ? 375° С;

3) водотрубные котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией, работающие на газах с высокой начальной температурой порядка 1000° С и выше.

В котлах-утилизаторах первых двух типов, устанавливаемых за мартеновскими, металлонагревательными, ватержакетными, нефтеперегонными и другими промышленными печами, используется в основном конвективная теплоотдача газов.

На рис. 3-1 показан газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор. В состав его входит: 1- газотрубная система котла; 2 - испарительный внешний барабан; 3 - пароперегреватель; 4 - дымосос.

Рис. 3-1. Газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор

К недостаткам газотрубных котлов-утилизаторов относятся ограниченная предельная паропроизводительность - не свыше 7,5 т/ч и пригодность для производства пара давлением не выше 15 ата.

На рис. 3-2 изображена схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией, здесь 1 - водяной экономайзер; 2 - испарительные змеевики; 3 - пароперегреватель; 4 - барабан котла; 5 - циркуляционные насосы; 6 - шламоуловитель; 7 - дымосос; 8 - главный паропровод; 9 - главный питательный водопровод от центральной насосной.



Рис. 3-2. Схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией

Для нормальной работы змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией необходимо наличие отходящих газов малой запыленности и умеренной температуры. Это устраняет возможность зашлакования трубных пучков змеевикового котла.

Преимущества таких котлов, сравнительно с котлами-утилизаторами других типов, сводятся к следующему:

а) уменьшаются затраты металла на котел;

б) имеются практически неограниченная мощность (пропуск газов) и возможность выработки пара повышенных ;

в) уменьшаются требования к качеству питательной воды;

г) достигается большая компактность;

д) имеется возможность применять блочные установки.

Поэтому змеевиковые котлы, индивидуальные или блочные с многократной принудительной циркуляцией, являются основным современным типом котлов-утилизаторов, изготовляемых отечественной промышленностью.

Схема блочной (централизованной) установки змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией изображена на рис. 3-3. Здесь 1 и 2 - испарительные змеевики или собственно котлы-утилизаторы; 3 - общий барабан; 4 - циркуляционные насосы; 5 - групповой пароперегреватель; 6 - питательные насосы; 7 - деаэратор; 8 - расширитель непрерывной продувки; 9 - теплообменник; 10 - трубопровод химически очищенной воды.

Рис. 3-3. Схема блочной централизованной) установки котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией

Котлы-утилизаторы, устанавливаемые за печами, не требуют непрерывного обслуживания и при наличии автоблокировки нуждаются только в периодическом осмотре.

Централизованное использование тепла, получаемого от отдельных групп испарительных змеевиков, делает экономичной установку их даже у самых небольших печей. При этом испарительные змеевики в случае необходимости можно размещать в газоходах печей, не загромождая производственных площадей цехов.

Недостатками блочной установки котлов-утилизаторов являются:

а) сложность устройства водяных экономайзеров, что затрудняет снижение температуры отходящих газов при давлениях пара порядка 18 ата и выше;

б) потребность в центральном (групповом) пароперегревателе, обогреваемом топливом (например, доменным газом).

При давлении пара котлов-утилизаторов не выше 10 ата достигаемое снижение температуры отходящих газов может быть экономично достигнуто и без водяных экономайзеров. Расход топлива на центральный пароперегреватель блочной установки незначителен по сравнению с общей экономией топлива, даваемой блочной установкой.

Для водотрубных котлов-утилизаторов, работающих на газах высокой температуры, характерным является использование радиационной теплопередачи. Для котлов этой группы часто оказываются необходимыми специальные, расположенные первыми по ходу газов, радиационные испарительные поверхности нагрева, охлаждающие печные газы до температуры, обеспечивающей грануляцию содержащегося в них расплавленного уноса.

Водотрубные котлы с естественной циркуляцией, работающие на отходящих газах, применяются в ряде предприятий химической и цементной промышленности, а также в цветной металлургии.

Если необходим нагрев воздуха для печи до высокой температуры, то конвективная часть котла может отпасть, и он превратится в чисто экранный котел (котел-шлакогранулятор).

Такие котлы целесообразно применять в ряде предприятий химической промышленности, например, для предприятий с сернокислым производством, в которых производственный процесс требует промежуточного охлаждения сернистых газов с 1100 до 400° С. В таких предприятиях котлы-утилизаторы могут заменять собой промежуточные поверхностные воздушные или водяные охладители.

До сих пор применяемые способы использования физического тепла отходящих горячих газов промышленных печей в основном не затрагивают устройства и режимов работы самих печей, а только дополняют их теми или другими теплоиспользующими устройствами.

В то же время начинает применяться также комбинированное использование тепла отходящих газов в производственных нагревателях и энергетических теплоиспользующих установках, которое обеспечивает более рациональное энерготехнологическое использование тепла этих газов.

К предложенным до настоящего времени схемам такого комбинированного энерготехнологического использования тепла отходящих газов относятся, например, схема с установкой парового котла-утилизатора в «рассечку» с хвостовым рекуператором сталеплавильной печи; схема плавильного агрегата с размещением непосредственно за плавильной камерой парового котла-шлакогранулятора экранного типа и с делением хвостового рекуператора на три ступени с расположением между ними пароперегревателя и водяного экономайзера; схемы с газотурбинными установками, встраиваемыми в газовый тракт мощных промышленных печей (коксовых, доменных, сталеплавильных).

Применение подобных встроенных газотурбинных установок (ВГТУ), вырабатывающих электроэнергию, представляется, бесспорно, целесообразным тогда, когда избыточное давление энергоносителя (газа), используемое в этих турбинах, необходимо по технологическим условиям, например в доменных печах повышенного давления.

Возможно, также применение ВГТУ за крупной мартеновской печью для использования тепла отходящих газов комбинированно с паровым котлом-утилизатором. При этом через воздушную и газовую турбину ВГТУ пропускаются воздух и газ, направляемые в печь для сжигания.

В остальных случаях ВГТУ, по-видимому, будут уступать по экономичности паросиловым установкам с котлами-утилизаторами, наиболее эффективно использующими в таких случаях физическое тепло отходящих печных газов. В каждом частном случае необходим технико-экономически обоснованный выбор наиболее рационального варианта использования физического тепла отходящих газов промышленных печей.

3.2 Производственные нагреватели

Возможность и эффективность использования физического тепла отходящих газов промышленных печей в производственных нагревателях или энергетических установках зависит от огнетехнического процесса печи, располагаемого количества и температуры газов и режимов их поступления.

Приближенно можно считать, что минимум экономически целесообразного использования тепла отходящих из печей газов соответствует их начальной температуре порядка 300-400° С при атмосферном давлении.

Регенеративное использование физического тепла отходящих газов в производственных нагревателях для нагрева компонентов горения уменьшает расход наиболее дорогого технологического топлива и требует меньших капитальных затрат, чем соответствующее использование для энергетических целей.

Между тем удельный расход топлива на технологический процесс, в случае использования отходящих газов для энергетических целей, не снижается. Поэтому в первую очередь следует использовать физическое тепло отходящих газов в производственных нагревателях (регенераторах и рекуператорах) для нагрева компонентов горения, обеспечивающих требуемые огнетехническими процессами температуры в рабочем пространстве промышленных печей.

В остающейся части физическое тепло отходящих газов надо возможно полнее использовать для энергетических целей в тех или других теплоиспользующих установках (в установках для подогрева воздуха или воды и котлах-утилизаторах для производства пара). Следует отметить, что в настоящее время огромное количество различных промышленных печей небольшой тепловой мощности (нагревательных, трубосварочных, отражательных, обжиговых, сушильных и др.) работает большей частью без регенерации. Это обусловливает весьма низкий тепловой к. п. д. печей и во многих случаях целесообразность использования этого тепла для энергетических целей.

В дальнейшем применение для металлургических и других печей в том или другом размере кислородного дутья устранит необходимость в регенераторах таких печей. При этом температура отходящих печных газов значительно повысится и, следовательно, увеличится количество их физического тепла, подлежащего использованию для энергетических целей.

3.3 Энергетические теплоиспользующие установки

Для использования физического тепла отходящих газов промышленных печей применяются следующие разновидности энергетических теплоиспользующих установок:

1) установки для подогрева воды;

2) установки для подогрева воздуха;

3) паровые котлы-утилизаторы;

4) газотурбинные установки, встроенные в запечный газовый тракт.

Первые две разновидности энергоустановок имеют ограниченное применение.

Горячая вода (t_в ? 130 ч 150° С), получаемая в установках на отходящих газах, может применяться для отопительно-вентиляционных и бытовых целей и других нагревательных процессов.

Ввиду сезонности большинства основных потребителей тепла горячей воды, достаточно полное годовое использование горячей воды при сколько-нибудь значительной тепловой мощности утилизационных установок не представляется возможным.

Подогрев воздуха в теплоиспользующих установках отходящими газами местных промышленных печей может производиться:

а) для пластической обработки металлов воздушными молотами или прессами, причем сжатый воздух подогревается до 250° С;

б) для нагревательных (сушки) и отопительно-вентиляционных целей в местных производственных помещениях.

Пар, получаемый в котлах-утилизаторах, может быть использован:

а) для производственных, нагревательных, отопительно-вентиляционных и бытовых тепловых целей;

б) для выработки электроэнергии или производства механической работы при раздельном энергопроизводстве;

в) для получения теплофикационной электроэнергии или механической работы агрегатов при комбинированном энергопроизводстве на базе тепловых производственных, отопительно-вёнтиляционных и бытовых нагрузок.

Количество газов, отходящих из промышленной печи, при нормальном режиме работы последней, как отмечено выше, более или менее постоянно. При переменном режиме работы некоторых небольших промышленных печей, возможно, включать на параллельную работу соответствующие котлы-утилизаторы.

Установки с паровыми котлами-утилизаторами могут обеспечивать наиболее полное и рациональное использование физического тепла отходящих печных газов, как для теплоснабжения потребителей, так и для выработки электроэнергии при комбинированном или раздельном энергопроизводстве.

Область целесообразного применения паровых котлов-утилизаторов за печами зависит от начальной температуры отходящих газов и от тепловой мощности промышленных печей, т. е. от количества потребляемого ими топлива.

Приближенно можно считать, что использование тепла отходящих газов промышленных печей путем установки паровых котлов-утилизаторов является рациональным, когда располагаемое количество тепла в отходящих газах превышает 2-3 Мккал/ч при годовом использовании не менее 4000 ч и при температуре газов перед котлом-утилизатором не ниже 500° С.

Таким образом, при энергетическом использовании физического тепла отходящих печных газов основным рабочим теплоносителем является почти всегда водяной пар, вырабатываемый в котле-утилизаторе.

При повышении начальных параметров пара на электростанции с котлами-утилизаторами увеличивается выработка электроэнергии при одинаковых количествах пара и одинаковых конечных давлениях пара за турбиной. В то же время повышение начальных параметров пара удорожает тепловую электростанцию. Поэтому при выборе начальных параметров пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства на ТЭЦ следует учитывать также возможные условия внешнего энергоснабжения и соответствующую удельную стоимость условного топлива. Комбинированное использование пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения и электроснабжения потребителей в каждом случае должно быть экономически обосновано.

В настоящее время применяются следующие основные конструктивные типы котлов-утилизаторов:

1) газотрубные котлы-утилизаторы, используемые в установках малой мощности с низким давлением пара р₀ ? 15 ата и для начальной температуры отходящих газов t_о.г.н = 700 ч 800°С;

2) змеевиковые котлы-утилизаторы с многократной принудительной циркуляцией для начальных параметров пара р₀ ? 18 ата, t₀ ? 375° С;

3) водотрубные котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией, работающие на газах с высокой начальной температурой порядка 1000° С и выше.

В котлах-утилизаторах первых двух типов, устанавливаемых за мартеновскими, металлонагревательными, ватержакетными, нефтеперегонными и другими промышленными печами, используется в основном конвективная теплоотдача газов.

На рис. 3-4 показан газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор. В состав его входит: 1- газотрубная система котла; 2 - испарительный внешний барабан; 3 - пароперегреватель; 4 - дымосос.



Рис. 3-4. Газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор

К недостаткам газотрубных котлов-утилизаторов относятся ограниченная предельная паропроизводительность - не свыше 7,5 т/ч и пригодность для производства пара давлением не выше 15 ата.

На рис. 3-5 изображена схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией, здесь 1 - водяной экономайзер; 2 - испарительные змеевики; 3 - пароперегреватель; 4 - барабан котла; 5 - циркуляционные насосы; 6 - шламоуловитель; 7 - дымосос; 8 - главный паропровод; 9 - главный питательный водопровод от центральной насосной.

Рис. 3-5. Схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией

Для нормальной работы змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией необходимо наличие отходящих газов малой запыленности и умеренной температуры. Это устраняет возможность зашлакования трубных пучков змеевикового котла.

Преимущества таких котлов, сравнительно с котлами-утилизаторами других типов, сводятся к следующему:

а) уменьшаются затраты металла на котел;

б) имеются практически неограниченная мощность (пропуск газов) и возможность выработки пара повышенных ;

в) уменьшаются требования к качеству питательной воды;

г) достигается большая компактность;

д) имеется возможность применять блочные установки.

Поэтому змеевиковые котлы, индивидуальные или блочные с многократной принудительной циркуляцией, являются основным современным типом котлов-утилизаторов, изготовляемых отечественной промышленностью.

Схема блочной (централизованной) установки змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией изображена на рис. 3-3. Здесь 1 и 2 - испарительные змеевики или собственно котлы-утилизаторы; 3 - общий барабан; 4 - циркуляционные насосы; 5 - групповой пароперегреватель; 6 - питательные насосы; 7 - деаэратор; 8 - расширитель непрерывной продувки; 9 - теплообменник; 10 - трубопровод химически очищенной воды.

Рис. 3-6. Схема блочной централизованной) установки котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией

Котлы-утилизаторы, устанавливаемые за печами, не требуют непрерывного обслуживания и при наличии автоблокировки нуждаются только в периодическом осмотре.

Централизованное использование тепла, получаемого от отдельных групп испарительных змеевиков, делает экономичной установку их даже у самых небольших печей. При этом испарительные змеевики в случае необходимости можно размещать в газоходах печей, не загромождая производственных площадей цехов.

Недостатками блочной установки котлов-утилизаторов являются:

а) сложность устройства водяных экономайзеров, что затрудняет снижение температуры отходящих газов при давлениях пара порядка 18 ата и выше;

б) потребность в центральном (групповом) пароперегревателе, обогреваемом топливом (например, доменным газом).

При давлении пара котлов-утилизаторов не выше 10 ата достигаемое снижение температуры отходящих газов может быть экономично достигнуто и без водяных экономайзеров. Расход топлива на центральный пароперегреватель блочной установки незначителен по сравнению с общей экономией топлива, даваемой блочной установкой.

Для водотрубных котлов-утилизаторов, работающих на газах высокой температуры, характерным является использование радиационной теплопередачи. Для котлов этой группы часто оказываются необходимыми специальные, расположенные первыми по ходу газов, радиационные испарительные поверхности нагрева, охлаждающие печные газы до температуры, обеспечивающей грануляцию содержащегося в них расплавленного уноса.

Водотрубные котлы с естественной циркуляцией, работающие на отходящих газах, применяются в ряде предприятий химической и цементной промышленности, а также в цветной металлургии.

Если необходим нагрев воздуха для печи до высокой температуры, то конвективная часть котла может отпасть, и он превратится в чисто экранный котел (котел-шлакогранулятор).

Такие котлы целесообразно применять в ряде предприятий химической промышленности, например, для предприятий с сернокислым производством, в которых производственный процесс требует промежуточного охлаждения сернистых газов с 1100 до 400° С. В таких предприятиях котлы-утилизаторы могут заменять собой промежуточные поверхностные воздушные или водяные охладители.

До сих пор применяемые способы использования физического тепла отходящих горячих газов промышленных печей в основном не затрагивают устройства и режимов работы самих печей, а только дополняют их теми или другими теплоиспользующими устройствами.

В то же время начинает применяться также комбинированное использование тепла отходящих газов в производственных нагревателях и энергетических теплоиспользующих установках, которое обеспечивает более рациональное энерготехнологическое использование тепла этих газов.

К предложенным до настоящего времени схемам такого комбинированного энерготехнологического использования тепла отходящих газов относятся, например, схема с установкой парового котла-утилизатора в «рассечку» с хвостовым рекуператором сталеплавильной печи; схема плавильного агрегата с размещением непосредственно за плавильной камерой парового котла-шлакогранулятора экранного типа и с делением хвостового рекуператора на три ступени с расположением между ними пароперегревателя и водяного экономайзера; схемы с газотурбинными установками, встраиваемыми в газовый тракт мощных промышленных печей (коксовых, доменных, сталеплавильных).

Применение подобных встроенных газотурбинных установок (ВГТУ), вырабатывающих электроэнергию, представляется, бесспорно, целесообразным тогда, когда избыточное давление энергоносителя (газа), используемое в этих турбинах, необходимо по технологическим условиям, например в доменных печах повышенного давления.

Возможно, также применение ВГТУ за крупной мартеновской печью для использования тепла отходящих газов комбинированно с паровым котлом-утилизатором. При этом через воздушную и газовую турбину ВГТУ пропускаются воздух и газ, направляемые в печь для сжигания.

В остальных случаях ВГТУ, по-видимому, будут уступать по экономичности паросиловым установкам с котлами-утилизаторами, наиболее эффективно использующими в таких случаях физическое тепло отходящих печных газов.

В каждом частном случае необходим технико-экономически обоснованный выбор наиболее рационального варианта использования физического тепла отходящих газов промышленных печей.

3.4 Использование пара котлов-утилизаторов

Возможны следующие варианты использования пара, получаемого в котлах-утилизаторах:

1) для теплоснабжения потребителей;

2) для выработки электроэнергии при раздельном энергопроизводстве;

3) для комбинированного энергопроизводства, т. е. выработки теплофикационной электроэнергии на базе тепловых нагрузок.

В каждом из перечисленных вариантов использования пара котлов-утилизаторов получается экономия топлива на соответствующей заменяемой энергетической установке, работающей на топливе.

1-й вариант. Использование пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения потребителей.

На рис. 3-7 показана схема использования пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения потребителей. Котлы-утилизаторы 1 покрывают тепловую нагрузку, конденсат которой возвращается питательными насосами 2 обратно в котлы-утилизаторы.

Рис. 3-7. Схема использования пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения потребителей.	Рис. 3-8. Схема использования пара котлов-утилизаторов для выработки конденсационной электроэнергии

2-й вариант. Использование пара котлов-утилизаторов для выработки конденсационной электроэнергии.

Рис. 3-8 изображает схему использования пара котлов-утилизаторов для выработки конденсационной электроэнергии. Пар из котлов-утилизаторов 1 поступает в конденсационную турбину 2 генераторного агрегата. Питательные насосы 3 подают конденсат в котлы-утилизаторы.

3-й вариант. Использование пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства.

Данный вариант предполагает наличие местной ТЭЦ с котлами-утилизаторами, работающей с комбинированным энергопроизводством.

На рис. 3-9 показана соответствующая схема использования пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства. Пар из котлов-утилизаторов 1 поступает в турбину с противодавлением 2 генераторного агрегата ТЭЦ, вырабатывающего теплофикационную электроэнергию. Отработавший в турбине пар подается тепловым потребителям 3, конденсат от которых направляется питательными насосами 4 в котлы-утилизаторы.

Рис. 3-9. Схема использования пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства

В каждом из рассмотренных выше вариантов необходимо, чтобы годовая экономия топлива от использования вторичных энергоресурсов обеспечивала окупаемость соответствующих дополнительных капитальных затрат сравнительно с вариантом без использования вторичных энергоресурсов в допустимый срок.

Как показывает анализ рассмотренных выше вариантов использования пара котлов-утилизаторов, наименее рациональным оказывается, как правило, вариант с использованием пара котлов-утилизаторов только для выработки конденсационной электроэнергии.

Выбор того или другого варианта использования пара котлов-утилизаторов в каждом частном случае должен быть экономически обоснован применительно к местным условиям энергопотребления и энергоснабжения.

При решении задачи использования пара котлов-утилизаторов за промышленными печами действующих предприятий возможны два случая:

1) на предприятии нет еще паровых котлов-утилизаторов;

2) на предприятии имеется установка с котлами-утилизаторами, пар которых используется только для теплоснабжения местных потребителей.

В первом случае выбор варианта оптимального использования пара проектируемых котлов-утилизаторов должен производиться аналогично соответствующему выбору для новых проектируемых предприятий, рассмотренному выше.

Во втором случае фактически уже реализованный вариант использования пара действующих котлов-утилизаторов должен быть сопоставлен с вариантом комбинированного энергопроизводства на базе имеющихся тепловых нагрузок этих котлов-утилизаторов в добавочном генераторном агрегате с турбиной типа П. При этом в некоторых случаях может оказаться целесообразной замена уже действующих котлов-утилизаторов с низкими начальными параметрами пара.

При использовании пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергоснабжения в ряде случаев может оказаться целесообразным применение тепловых трансформаторов, в частности - для замены длительно работающих РОУ на ТЭЦ с котлами-утилизаторами.

3.5 Использование отработавшего производственного пара и пара испарительного охлаждения промышленных печей

Отработавший производственный пар отходит из производственных агрегатов пластической обработки металлов при давлении порядка 1,3-1,5 ата. После механической очистки от масла и других примесей отработавший пар должен использоваться в первую очередь для соответствующего покрытия отопительно-вентиляционных, бытовых и других тепловых нагрузок.

Возможны вообще три основные варианта использования отработавшего производственного пара:

1) только для теплоснабжения потребителей (рис. 3-10);

2) только для выработки электроэнергии (рис. 3-11);

3) в первую очередь для теплоснабжения потребителей, в остальной части для выработки электроэнергии (рис. 3-12).



Рис. 3-10. Схема использования отработавшего производственного пара для теплоснабжения потребителей.	Рис. 3-11. Схемы использования отработавшего производственного пара для выработки электроэнергии: а - с агрегатом МК; б - с агрегатом КК.
Рис. 3-12. Схемы комплексного использования отработавшего производственного пара: а- с агрегатом МК; б - с агрегатом КК.	Рис. 3-13. Схема использования отработавшего производственного пара в агрегате ТЭЦ типа КОО.

На рис. 3-10, 3-11, 3-12 и 3-13: 1 - производственные агрегаты пластической обработки металла; 2 - механический масло-очиститель пара от масла и других примесей; 3 - тепловые потребители; 4 - турбина МК; 5 - турбина КК; 6 - добавочный источник свежего пара для агрегата КК (котел-утилизатор); 7 и 8 - тепловые (пароводяные) аккумуляторы.

При резких колебаниях в количествах потребляемого производственными агрегатами пара применяется установка пароводяных аккумуляторов 7 и 8. При отсутствии таких колебаний, но при несоответствии режимов отходов отработавшего пара и тепловых нагрузок 3 и для выравнивания нагрузки агрегатов типа МК устанавливается только тепловой аккумулятор 8.

Установка с агрегатами МК или КК должна располагаться в непосредственной близости к соответствующему цеху пластической обработки металла.

На рис. 3-10 показана схема использования отработавшего производственного пара в агрегате ТЭЦ типа КОО. Цифрой 9 обозначен агрегат КОО; 10 - котельный агрегат ТЭЦ.

В то же время использование отработавшего пара для теплоснабжения не требует дополнительных капитальных затрат.

Поэтому использование отработавшего пара для теплоснабжения во всех случаях является рациональным, тогда как использование остальной части этого пара для выработки электроэнергии в каждом частном случае должно быть экономически обосновано.

Применение варианта с использованием отработавшего пара для выработки электроэнергии оказывается рациональным, если

где - допускаемый срок окупаемости, примерно 8 лет; - дополнительные капитальные затраты на установку с агрегатом МК мощностью Р_МК (или с агрегатом КК, мощностью Р_кк); - превышение ежегодных прямых расходов по варианту без использования отработавшего производственного пара по сравнению с вариантом использования отработавшего пара для выработки электроэнергии.

Во многих случаях может оказаться рациональной установка тепловых трансформаторов, повышающих давление отработавшего пара и позволяющих покрывать этим паром также тепловые нагрузки, требующие пара более высокого давления, чем давление отработавшего пара.

Соответствующие схемы повышения давления отработавшего производственного пара с помощью тепловых трансформаторов показаны на рис. 3-14.

Рис. 3-14. Схема повышения давления отработавшего производственного пара для теплоснабжения потребителей: а - с помощью струйного компрессора; б - с помощью механического компрессора

Схема с пароструйным компрессором 1, показанная на рис. 3-14, а, применима вообще только при наличии второго источника 2 пара более высокого давления р_р, чем давление отработавшего пара р_о.п, например местного котла-утилизатора или расположенной вблизи промышленной ТЭЦ.

При отсутствии же такого второго источника пара для питания теплового трансформатора следует применять механический компрессор с электродвигателем 1, схема включения которого в установку для повышения давления отработавшего пара "изображена на рис. 3-14, б.

Использование пара испарительного охлаждения промышленных печей. В настоящее время как в действующих, так и, в особенности, в проектируемых предприятиях все шире применяется вместо водяного охлаждения металлургических печей испарительное охлаждение, более надежное и экономичное. При этом получаемый пар представляет собой более эффективный по возможностям использования вторичный энергоресурс, нежели нагретая охлаждающая вода. Установками испарительного охлаждения уже оснащены сотни мартеновских и десятки нагревательных печей.