Підвищення ефективності використання палива в енергетичних та технологічних агрегатах на основі автономних регенеративних підігрівників

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національна металургійна академія України

Автореферат

Підвищення ефективності використання палива в енергетичних та технологічних агрегатах на основі автономних регенеративних підігрівників

05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика

Федоров Сергій Сергійович

Дніпропетровськ 2006

Дисертація є рукописом.

Робота виконана в Національній металургійній академії України Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

доктор технічних наук, професор

Губинський Михайло Володимирович,

Національна металургійна академія України,

завідуючий кафедрою промислової теплоенергетики,

м. Дніпропетровськ.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор

ЯЛОВИЙ МИКОЛА ІВАНОВИЧ,

Дніпродзержинський державний технічний університет,

завідуючий кафедрою промислової теплоенергетики,

м. Дніпродзержинськ.

кандидат технічних наук, доцент

ЧЕПРАСОВ ОЛЕКСАНДР ІВАНОВИЧ,

Запорізька державна інженерна академія,

доцент кафедри автоматизації виробничих процесів,

м. Запоріжжя.

Провідне підприємство:

Інститут газу НАН України.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. У зв'язку з ростом ринкової вартості палива для промислових підприємств України важливим економічним завданням стає скорочення споживання природного газу. У першу чергу, це актуально для найбільш енергоємної галузі країни металургії.

Одним з напрямків у рішенні даної задачі є раціональне використання власних вторинних паливних енергоресурсів, зокрема доменного газу. Неефективне використання доменного газу пов'язане з його низькою теплотою згоряння й високою вологістю. Робота енергетичних і технологічних агрегатів на доменному газі характеризується значними втратами теплоти з димовими газами, хімічною неповнотою згоряння і нестійким горінням факела. Проблеми, пов'язані зі споживанням доменного газу, приводять до утворення його надлишкових ресурсів на підприємствах (до 12 % від загального виходу), які спалюються на свічах.

Ефективність використання доменного газу може бути підвищена при високотемпературному нагріванні газу й повітря в автономних регенеративних підігрівниках з насипною насадкою. Відповідно до цього, актуальною практичною задачею є розробка пристроїв для високотемпературного нагрівання доменного газу й повітря, а також технологічних схем, що забезпечують спільну роботу таких пристроїв з існуючими енергетичними та технологічних агрегатами.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота виконана відповідно до планів Міністерства освіти і науки України та науково-дослідних робіт Національної металургійної академії України (НМетАУ): тема Х007020013 “Енергоаудит Дніпровського металургійного комбінату ім. Ф.Е. Дзержинського”.

Мета та задачі досліджень. Мета дисертаційної роботи підвищення ефективності використання палива в енергетичних та технологічних агрегатах за допомогою автономних регенеративних підігрівників на основі насипних насадок.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні задачі:

· розроблено математичні моделі роботи автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою, стабілізатора температури нагрітого газу, комплексу парогенератор автономний регенеративний підігрівник;

досліджено кількісні залежності впливу конструктивних та режимних параметрів роботи регенераторів з кульковою насадкою на температуру нагрівання теплоносія, амплітуду її зміни за цикл, максимальну температуру димових газів; автономний регенеративний підігрівник температура

· вирішена задача оптимізації режимних та конструктивних параметрів регенераторів з кульковою насадкою і розроблена методика розрахунку автономних регенеративних підігрівників;

· розроблено і досліджено технологічні схеми опалення енергетичних і технологічних агрегатів доменним газом із застосуванням автономних регенеративних підігрівників.

Об'єкт дослідження автономні регенеративні підігрівники з насипною насадкою, енергетичні та технологічні агрегати, що використовують доменний газ.

Предмет дослідження процеси теплообміну в автономних регенеративних підігрівниках з насипною насадкою, енергетичних і технологічних агрегатах, що працюють разом з ними.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проведені шляхом математичного моделювання процесів теплообміну в автономному регенеративному підігрівнику та енергетичних агрегатах з використанням ПЕОМ. Експериментальні дослідження проведені на дослідному стенді автономного регенеративного підігрівника в лабораторії кафедри промислової теплоенергетики НМетАУ.

Наукова новизна отриманих результатів.

За результатами теоретичних та експериментальних досліджень:

· встановлено ступінь впливу наднасадочного простору на показники роботи автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою: показано, що врахування даного фактору при моделюванні процесів теплообміну в регенераторі забезпечує підвищення точності визначення температури нагрівання теплоносія до 8 11 %;

· вперше отримано безрозмірні залежності, що встановлюють зв'язок температури нагрівання газу, амплітуди її зміни за цикл та максимальної температури димових газів з режимними і конструктивними параметрами компактного кулькового регенератора в діапазоні: діаметра елементів насадки 0,01 0, 03 м; висоти насадки 0,3 1,2 м; швидкості теплоносіїв 0,3 1,2 м/с.

· на основі рішення задачі оптимізації режимних та конструктивних параметрів регенератора по мінімуму капітальних і експлуатаційних витрат отримані залежності для визначення оптимальної висоти кулькової насадки для нагрівання доменного газу і повітря.

Практичне значення отриманих результатів.

· Розроблено і реалізовано на ПЕОМ математичну модель автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою, що враховує теплообмін у наднасадочному просторі, перенос теплоти теплопровідністю в насадці, втрати теплоти через теплову ізоляцію, залежність теплофізичних властивостей матеріалів та теплоносіїв від температури;

· Розроблено методику проектного розрахунку насадки автономного регенеративного підігрівника і рекомендації з вибору матеріалу насадки залежно від заданої температури нагрівання теплоносія;

· Розроблено конструкцію автономного регенеративного підігрівника (Деклараційний патент на корисну модель № 11851), а також схеми його спільної роботи з парогенераторами (Деклараційний патент на корисну модель № 11349) і нагрівальною методичною піччю дротового стана ДС-250-3 сортопрокатного цеху № 2 ВАТ “Криворіжсталь”. Очікувана економія природного газу на печі становить 3586,4 тис. м³/рік, економічний ефект у цінах 2004 р. 678,4 тис. грн/рік.

Особистий внесок здобувача. У наукових працях, виконаних самостійно і разом із співавторами по темі дисертації, особистий внесок здобувача полягає у розробці математичних моделей автономного регенеративного підігрівника, стабілізатора температури нагрівання, комплексу парогенератор регенеративний підігрівник [3-7,11,13]; проведенні та обробці результатів чисельних та експериментальних досліджень [1-4,10,12,14]; розробці конструкцій і схем спільної роботи автономних регенеративних підігрівників з енергетичними та технологічними агрегатами [8-10].

Апробація результатів дисертації. Матеріали дисертаційної роботи були повідомлені й обговорені на міжнародних конференціях: “Теплотехника и энергетика в металлургии”, Дніпропетровськ (Україна), 2002, 1-3 жовтня; “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии”, Москва (Росія), 2002, 3-5 грудня; “Вопросы тепломассообмена, энергосбережения и экологии в теплотехнологических процессах”, Іваново (Росія), 2003, 2-4 червня; “Проблеми економії енергії”, Львів (Україна), 2003, 8-12 жовтня; “Проблемы промышленной теплотехники”, Київ (Україна), 2005, 26-30 вересня; “Теплотехника и энергетика в металлургии”, Дніпропетровськ (Україна), 2005, 18-19 жовтня, а також V Мінському міжнародному форумі по тепло- і массообмену, Мінськ (Білорусія), 2004, 24-28 травня.

Публікації. По темі дисертації опубліковано 14 друкованих праць: 2 у спеціалізованих журналах, 5 у збірниках наукових праць, 5 у матеріалах і працях наукових конференцій, 2 патенти на винахід. З них 7 у виданнях, що входять у перелік ВАК України.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із введення, чотирьох розділів, висновків, списку літературних джерел і додатків. Робота викладена на 124 сторінках машинописного тексту, містить 26 таблиць, 32 рисунки та 9 додатків. Список використаної літератури становлять 117 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність теми дисертаційної роботи, сформульовані мета та задачі дослідження. Наведено нові наукові результати, що отримані в роботі, показана їхня практична цінність, визначений особистий внесок здобувача, представлені відомості про апробацію роботи.

У першому розділі розглянуті проблеми використання доменного газу в енергетичних та технологічних агрегатах, а також шляхи їх вирішення. Як перспективний напрямок обрано високотемпературне нагрівання доменного газу і повітря в компактних регенеративних системах опалення.

Розробка і дослідження регенеративних систем у цей час ведуться науковими колективами Інституту газу НАН України, ВАТ ВНДІМТ, НПФ “Горелочный центр”, НМетАУ, західними фірмами British Gas, Hotwork Development, Bloom Engineering, і китайською Далянською компанією. Основні результати наукових досліджень компактних регенераторів в Україні та Росії наведені в роботах авторів Я.М. Гордона, В.Й. Губинського, І.М. Дистергефта, Г.М. Дружиніна, І.Н. Карпа, Б.Д. Сезоненко, Б.А. Тихонова, Ф.Р. Шкляра.

Аналіз літературних джерел, показав, що в агрегатах, опалювальних доменним газом, з низькою температурою димових газів (парогенераторах, доменних повітропідігрівниках) перспективне використання автономних регенеративних підігрівників з насипною насадкою, що забезпечують високотемпературне нагрівання доменного газу та повітря. Застосування автономних підігрівників у нагрівальних печах дозволяє уникнути їхньої масштабної реконструкції.

Для впровадження автономних регенеративних підігрівників необхідне рішення ряду задач: дослідження їхньої роботи в комплексі з енергетичними та технологічними агрегатами; оптимізація конструктивних і режимних параметрів регенераторів з метою зниження експлуатаційних і капітальних витрат на насадку; розробка технічних рішень, що забезпечують як стабільну роботу енергетичних та технологічних агрегатів так і надійну експлуатацію регенераторів.

Рішення цих задач вимагає математичного моделювання. У зв'язку із чим, виконаний літературний огляд математичних моделей компактних регенераторів і показана необхідність дослідження впливу теплообміну в наднасадочному просторі.

У другому розділі розроблено математичну модель автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою, що містить чотири блоки: теплообмін у насадці, тепловій ізоляції камери насадки і наднасадочного простору, радіаційний теплообмін у наднасадочному просторі. У моделі врахована теплопровідність у насадці, залежність теплофізичних властивостей матеріалу й теплоносіїв від температури. Прийнято, що регенератор має форму циліндра. Розрахункова схема теплообміну представлена на рис. 1.

В основу математичної моделі теплообміну в регенераторі покладене припущення про те, що елементи насадки термічно тонкі тіла. Це дозволило розглядати насадку як суцільне тіло з об'ємними джерелами (стоками) теплоти.

Система диференціальних рівнянь, що описують математичну постановку завдання теплообміну в насадці регенератора, містила рівняння теплопровідності в насадці й тепловому балансі для газу при граничних умовах третього роду:

,
,

де _м - щільність матеріалу насадки, кг/м³; - пористість шару насадки; с_м - теплоємкість матеріалу насадки, Дж/(кгК); t_м, t_г - відповідно температури матеріалу й газу, С; - поточний час, с; h - поточна висота, м; r - поточний радіус, м; _еф - коефіцієнт ефективної теплопровідності шару, Вт/(мК); с_г - теплоємкість теплоносія, Дж/(м³К); w_г швидкість теплоносія, віднесена до повного перетину насадки при нормальних умовах, м/с; q_v = _v (t_г t_м) - потужність об'ємного джерела (стоку) теплоти, Вт/м³; _v об'ємний коефіцієнт тепловіддачі в шарі, Вт/(м³К); q_ст - тепловий потік від газу до стінок камери насадки, Вт/м²; Р_н периметр насадки, м; F_н площа перетину насадки, м².

Математична постановка задачі містила також одномірні диференціальні рівняння теплопровідності для теплової ізоляції камери насадки і наднасадочного простору при граничних умовах третього роду. Для розрахунку теплообміну в наднасадочному просторі використані рівняння теплового балансу для газу та відомі рішення задач радіаційного теплообміну. Рішення системи диференціальних рівнянь виконувалося методом кінцевих різностей з використанням неявної схеми.

У ході порівняння математичної моделі з аналітичними рішеннями задач теплопровідності в пластині та циліндрі, теплообміну в шарі були визначені параметри кінцево-різницевої сітки, при яких погрішність чисельних результатів не перевищувала 1 %: крок по висоті h і радіусу r 5 15 мм; крок за часом = 1 5 с. Аналіз експериментальних і розрахункових значень температур показав, що розроблена модель якісно й кількісно описує процеси в регенераторах з насипною насадкою. При роботі регенератора в сталому стані відносна погрішність розрахунку температури нагрівання теплоносія не перевищує 5 12 %.

Чисельне дослідження впливу теплообміну в наднасадочному просторі, втрат теплоти через теплову ізоляцію насадки і теплопровідності в насадці показало необхідність врахування перших двох факторів. При цьому, врахування теплообміну в наднасадочному просторі компактного регенератора забезпечує підвищення точності розрахунку температури нагрівання теплоносія до 8 11 %.

Встановлено, що теплова ізоляція наднасадочного простору практично не впливає на стабілізацію температури нагрівання.

При дослідженні роботи компактного регенератора у якості показників ефективності його роботи були прийняті: збільшення температури “холодного” теплоносія в регенераторі t_хг, С; коливання температури “холодного” теплоносія на виході з насадки за цикл t_хг, C; максимальна температура димових газів t_{д кон}, С.

Серед факторів, що визначають ефективність роботи регенератора, виділені різниця температур між “гарячим” та “холодним” теплоносіями на вході в апарат t = t_д t_хг, С; діаметр елементів насадки d, м; висота насадки H, м; перетин насадки F_н, м²; теплофізичні властивості матеріалу насадки (теплоємкість с_м, Дж/(кгК); насипна щільність _нм, кг/м³; теплопровідність _м, Вт/(м²К); w_д, w_хг відповідно швидкості “гарячого” та “холодного” теплоносіїв, віднесені до повного перетину насадки при нормальних умовах, м/с; с_д, с_хг відповідно теплоємкості “гарячого” та “холодного” теплоносіїв, кдж/м³; інтервал між перекиданнями клапанів _п, с.

На основі положень теорії размірностей наведені показники та визначальні фактори були об'єднані в систему безрозмірних комплексів: = t_хг / t безрозмірна температура нагрівання “холодного” теплоносія; А_хг = t_хг/ t безрозмірна амплітуда зміни температури “холодного” теплоносія на виході з насадки за цикл; _{д кін} = t_{д кін} / t безрозмірна максимальна температура “гарячого” теплоносія на виході з насадки; F = d / H безрозмірний діаметр елемента насадки; Ф = F_н / Н² безрозмірний перетин насадки регенератора; К = с_м t(_п / Н)² безрозмірний комплекс, що виражає зв'язок максимально можливої зміни тепломісткості одиниці маси насадки із тривалістю періоду _п і висотою насадки Н; С_д = w_дс_дп / (_нмс_мН) безрозмірний комплекс, що виражає відношення теплоємкостей “гарячого” теплоносія та насадки; С_хг = w_хгс_хгп / (_нмс_мН) безрозмірний комплекс, що виражає відношення теплоємкостей “холодного” теплоносія та насадки; Pd = а_мп / Н² критерій Предводителева, де а_м коефіцієнт температуропровідності матеріалу насадки, м²/с.

З використанням математичної моделі були проведені чисельні дослідження роботи регенератора з кульовою насадкою в обраному діапазоні параметрів (табл. 1). У якості середовища, що нагрівається в регенераторі, розглянуті доменний газ і повітря, матеріалу насадки корунд, залізорудні окатиші, сталь, чавун, жаротривкий бетон, шамот. Перетин насадки F_н приймалося постійним і дорівнював 1 м².

Таблиця 1

Діапазон варіювання вихідних даних

d, м	Н, м	wд, wхг, м/с	п, з	tд, C
0,01 0,03	0,3 1,2	0,3 1,2	60 360	700 1400

Обробка розрахованого масиву даних дозволила одержати безрозмірні залежності для показників роботи кулькових регенераторів, які можуть бути використані в розрахунках розмірів при проектуванні та оптимізації режимних і конструктивних параметрів насадок:

Коефіцієнт детермінації R² залежностей (3) (5) склав 0,90 0,94.

Виконаний на основі залежностей (3) (5) аналіз впливу факторів у дослідженому діапазоні (див. табл. 1) показав, що температуру нагрівання теплоносія визначають розміри насадки (її висота та діаметр елементів).

В третьому розділі представлені результати експериментальних досліджень роботи автономного регенеративного підігрівника, метою яких було одержання експериментальних даних про ефективність роботи й можливості застосування різних типів насадок, перевірка результатів розділу 2 та адаптація математичної моделі.

Схема експериментальної установки та характеристики досліджених регенеративних насадок представлені відповідно на рис. 2 і в табл. 2. Опалення автономного підігрівника здійснювалося природним газом. В експериментальних дослідженнях роботи регенератора витрата природного газу становила 2,8 3,3 м³/год, коефіцієнт витрати повітря 1,62 1,92, швидкість диму і повітря відповідно 0,45 0,49 м/с і 0,48 0,54 м/с.

Таблиця 2

Параметри досліджених конструкцій регенеративних насадок

Тип насадки	Розмір елементів, мм	Висота шару, м
корундові кулі	18 23	0,55
верх: низ:	муллитокорундові кулі чавунні кулі	20 28 20 29	0,22 0,33
верх: низ:	муллітокорундові кулі чавунні півсфери	20 28 14 16	0,22 0,33
залізорудні окатиші	14 18	0,55
шамотні кулі	22 28	0,55
шлаки електропечі	23 39	0,55
верх: низ:	шамотні кулі шлаки електропечі	22 28 23 39	0,10 0,45
бій шамотної цегли	27 55	0,55

Аналіз експериментальних даних підтвердив результати теоретичних досліджень розділу 2. Установлено, що матеріал насадки не впливає на температуру нагрівання теплоносія.

За результатами експериментів розроблені рекомендації з вибору регенеративних насадок. В області температур > 1000 C недоцільно використати насадку у вигляді шлаків електропечі, що у результаті теплозмін у даній області температур руйнується. При нагріванні повітря необхідно розміщати насадку із чавунних і сталевих елементів в області низьких температур до 800 С, щоб уникнути їхнього окислювання. Неприпустиме використання залізорудних окатишів при нагріванні доменного газу, оскільки наявність окису вуглецю приведе до металізації окатишів і їхньому руйнуванню.

Метою оптимізації конструктивних і режимних параметрів компактних регенераторів було зниження витрат на регенеративну систему опалення й визначення впливу на оптимум незалежних факторів: температури “гарячого” теплоносія на вході в регенератор t_д, діаметра елементів насадки d, співвідношення видаткових теплоємкостей потоків “холодного” W_хг і “гарячого” теплоносіїв W_д, вартості електроенергії Ц_ээ, вартості матеріалу насадки Ц_м, терміну служби насадки n.

При постановці завдання оптимізації критерієм оптимальності була сума З_сум зведених питомих капітальних витрат на насадку і експлуатаційних витрат на транспортування теплоносіїв, віднесених до одиниці витрати “холодного” теплоносія в регенераторі:

, грн/[(м3/с) рік],	(

де Ц_м - вартість матеріалу насадки регенератора, грн/кг; Ц_ее - вартість електроенергії, грн/(кВтгод); V_хг, V_д - витрати “холодного” і “гарячого” теплоносіїв, м³/с; Р_хг, Р_д гідравлічний опір насадки для “холодного” і “гарячого” теплоносіїв, Па; _тдп - ККД тягодуттєвих пристроїв; _р - час роботи насадки в році, год; n - термін служби насадки.

Постановка задачі оптимізації також включала рівняння теплового балансу регенератора та залежність для температури нагрівання теплоносія (3) при обмеженнях на: висоту насадки Н = 0,3 1,2 м; швидкості теплоносіїв w_г = 0,3 1,2 м/с; температуру димових газів t_д = 150 С.

В якості параметра оптимізації було обрано висоту насадки Н. Оптимальний перетин насадки F_н, при цьому, визначалося по швидкості теплоносіїв, знайдених із залежності (3). Діапазон зміни незалежних параметрів склав: d = 0,01 0,03 м; Ц_ее / Ц_м = 5,710^-3 18,210^-3, кг/(кВтгод); n = 1 9 років; W_д / W_хг = 0,6 1; t_д = 900 1400 С.

Оптимізація параметрів насадки проводилася методом сканування. Представлена на рис. 3 динаміка зміни зведених питомих витрат при збільшенні висоти насадки для умов: d = 0,02 м; t_д = 1200 С, n = 5 років; Ц_м = 21 грн/кг; Ц_ее = 0,156 грн/(кВтгод); W_д / W_хг = 1, показує, що сформульована задача оптимізації має оптимальне рішення.

Відповідно до отриманих результатів при зниженні діаметра елементів знижується її обсяг і сумарні витрати. Таким чином, у компактних регенераторах кращим є використання насадок з меншим діаметром елементів.

Обробка результатів досліджень дозволила одержати залежності для оптимальної висоти корундової кулькової насадки при нагріванні доменного газу та повітря:

,

де а_i коефіцієнти рівняння регресії (табл. 3).

Таблиця 3

Значення коефіцієнтів у рівнянні регресії (7)

Оптимальна висота насадки	Коефіцієнти
	a0	a1	a2	a3	a4	a5
Для доменного газу	5,13103	0,83	7,09106	139,7	4,19104	4,0
Для повітря	6,12103	0,90	7,76106	153,2	4,37104	3,8

На основі отриманих залежностей розроблена методика проектного розрахунку насадки компактного регенератора. Результатами розрахунку режимних і конструктивних параметрів насадки є: розміри насадки (висота Н_опт і перетин F_{н опт}), швидкості теплоносіїв w_г, тривалість інтервалу між перекиданнями _п.

У четвертому розділі запропоновані два варіанти спільної роботи регенеративних підігрівників доменного газу та парогенератора, що відрізняються способом опалення насадки підігрівника (рис. 4): 1) шляхом відбору продуктів згоряння з топкової камери котельного агрегату (Деклараційний патент на корисну модель № 11349) (рис. 4а); 2) шляхом автономного опалення регенераторів власними пальниками (рис. 4б).

Оцінка ефективності запропонованих схем проведена для парогенератора середнього тиску типу ТП-150. Із цією метою на ПЕОМ була реалізована математичної модель котельного агрегату, заснована на нормативному методі теплового розрахунку. Для розрахунку регенеративного підігрівника доменного газу використалася, розроблена раніше методика. Дослідження були проведені для корундової кулькової насадки діаметром 20 мм. Діапазон зміни навантаження парогенератора склав 50 150 т/год.

Відповідно до отриманих результатів при однаковій масі насадки схема з відбором диму з топкової камери (рис. 3а) забезпечує більшу продуктивність парогенератора на доменному газі без добавки природного. Дана схема більше економічна й має більший потенціал економії природного газу у всьому дослідженому діапазоні навантажень (рис. 5, 6).

При масі насадки регенеративного підігрівника 14,2 т у діапазоні продуктивності 50 90 т/год першій схемі відповідає менша питома витрата палива в порівнянні з роботою парогенератора на холодному доменному газі (рис. 5). Максимальна економія природного газу в схемах з відбором і автономним опаленням у дослідженому діапазоні навантажень рівняється відповідно 3,200 і 2,600 тис. м³/год (рис. 6).

Шляхом математичного моделювання вивчена ефективність роботи стабілізаторів температури у вигляді кулькових насадок діаметром 20 60 мм. Результати досліджень показали, що при однаковій стабілізації температури насадка малого діаметра має меншу висоту, при цьому, гідравлічний опір розглянутих насадок практично однакове.

На підставі отриманих результатів розроблена конструкція автономного регенеративного підігрівника, у якій насадка стабілізатора розташовується безпосередньо на регенеративній насадці підігрівника, а подача газоповітряної суміші в димовому періоді здійснюється безпосередньо в шар під стабілізатор (Деклараційний патент на корисну модель № 11851).

Для умов системи нагрівання повітря на методичних печах дротового стана ДС-230-2 сортопрокатного цеху № 2 ВАТ “Криворіжсталь” розроблено технічне рішення збільшення температури повітря до проектних параметрів (з 155 С до 400 С) шляхом нагрівання його частини в автономних регенеративних підігрівниках за рахунок наявного на комбінаті надлишку доменного газу. Відповідно до запропонованого рішення, частина повітря, нагрівається в автономному регенеративному підігрівнику до 1000 С и змішується з повітрям з рекуператора в пропорції, що забезпечує кінцеву температуру суміші рівну 400 С. Очікувана економія природного газу на печі становить 3586,4 тис. м³/рік, економічний ефект у цінах 2004 р. 678,4 тис. грн/рік.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішено важливу науково-технічну задачу зниження споживання природного газу в енергетичних та технологічних агрегатах металургійної галузі шляхом розробки автономних регенеративних підігрівників з насипною насадкою та систем опалення на їх основі.

Основні результати роботи полягають у наступному:

Аналіз роботи споживачів доменного газу показав, що перспективним напрямком підвищення ефективності його використання в енергетичних та технологічних агрегатах є високотемпературне нагрівання доменного газу і повітря горіння в автономних регенеративних підігрівниках з насипною насадкою.

Розроблено математичну модель автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою, що враховує теплообмін у наднасадочному просторі, перенос теплоти теплопровідністю в насадці, втрати теплоти в навколишнє середовище через теплову ізоляцію, залежність теплофізичних властивостей матеріалів і газів від температури. Модель дозволяє виконувати розрахунки температури нагрівання “холодного” теплоносія з погрішністю 5 12 % у порівнянні з експериментальними даними.

На підставі результатів чисельних досліджень показана необхідність врахування впливу наднасадочного простору компактного регенератора при моделюванні, що дозволяє підвищити точність визначення температури нагрівання “холодного” теплоносія до 8 11 %.

Отримано безрозмірні залежності, що встановлюють зв'язок температури нагрівання газу, амплітуди її зміни за цикл і максимальної температури димових газів з режимними та конструктивними параметрами компактного кулькового регенератора в діапазоні: діаметра елементів насадки 0,01 0,03 м; висоти насадки 0,3 1,2 м; швидкості теплоносіїв 0,3 1,2 м/с.

На підставі експериментальних і розрахунково-теоретичних досліджень роботи автономного регенеративного підігрівника встановлено, що основний вплив на ефективність роботи насипної насадки роблять її розміри (висота та діаметр елементів), вплив же матеріалу насадки на даний показник незначний.

На основі рішення завдання оптимізації режимних і конструктивних параметрів компактних регенераторів по мінімуму капітальних і експлуатаційних витрат отримані залежності для визначення оптимальної висоти кулькової насадки при нагріванні доменного газу і повітря як функції діаметра елементів, температури “гарячого” теплоносія на вході, терміну служби насадки, співвідношення вартості електроенергії і матеріалу насадки, співвідношення видаткових теплоємкостей потоків.

Розроблено методику проектного розрахунку кулькової насадки компактного регенератора, що заснована на отриманих залежностях для оптимальної висоти насадки, безрозмірної температури нагрівання “холодного” теплоносія, безрозмірної амплітуди коливання температури нагрівання за цикл, безрозмірної максимальної температури димових газів, а також дані рекомендації з вибору матеріалу насадки.

Розроблено конструкцію автономного регенеративного підігрівника доменного газу, обладнаного стабілізатором температури нагрітого теплоносія у вигляді додаткової насипної насадки (Деклараційний патент на корисну модель № 11851).

Розроблено схеми спільної роботи регенеративних підігрівників доменного газу й парових казанів: з відбором продуктів згоряння з топкової камери парогенератора (Деклараційний патент на корисну модель № 11349); з автономним опаленням регенеративної насадки. Запропоновані схеми забезпечують підвищення продуктивності казана й скорочення споживання природного газу.

Розроблено технологічну схему спільної роботи регенеративного підігрівника й нагрівальною методичною піччю дротового стана ДС-250-3 сортопрокатного цеху № 2 ВАТ “Криворіжсталь”. Очікувана економія природного газу на печі становить 3586,4 тис. м³/рік, економічний ефект у цінах 2004 р. 678,4 тис. грн/рік.

ПЕРЕЛІК ОПУБЛІКОВАНИХ РОБІТ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

Федоров С.С., Губикий М.В., Шевченко Г.Л. Экспериментальное исследование компактных регенеративных насадок // Інтегровані технології та енергозбереження. 2005. № 3. С. 59 63.

Губинский М.В., Федоров С.С., Шевченко Г.Л. Влияние режимных и конструктивных параметров на тепловую работу компактных регенераторов // Металургійна теплотехніка: Зб. наук. пр. НМетАУ. Книга перша. Дніпропетровськ: Пороги, 2005. С. 157 166.

Федоров С.С. Стабилизация температуры теплоносителя в автономных компактных регенераторах // Металургійна теплотехніка: Зб. наук. пр. НМетАУ. Книга друга. Дніпропетровськ: Пороги, 2005. С. 368 375.

Цкитишвили Э.О., Федоров С.С., Губинский М.В. и др. Повышение эффективности работы промышленных парогенераторов на доменном газе // Металлургическая и горнорудная пром-сть. 2004. № 6. - С. 95 - 98.

Федоров С.С. Математическая модель компактного регенератора с учетом влияния теплообмена в наднасадочном пространстве // Металлургическая теплотехника: Сб. науч. тр. - Т. 10. Днепропетровск: НМетАУ, 2004. - С. 272 - 278.

Федоров С.С., Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Моделирование работы компактных регенераторов // Металлургическая теплотехника: Сб. науч. тр. Т. 9. - Днепропетровск: НМетАУ, - 2003. - С. 87 - 92.

Цкитишвили Э.О., Губинский М.В., Федоров О.Г., Федоров С.С. Пути рационального использования доменного газа на ТЭЦ металлургических предприятий // Металлургическая теплотехника: Сб. науч. тр. Т. 7. Днепропетровск: НМетАУ, 2002. С. 116 122.

Пристрій для нагрівання газу: Деклараційний пат. на корисну модель 11851. Україна, МПК 7 C 21 B 9/00, F 28 D17/02 / Губинський М.В., Федоров С.С., Колодяжний В.С. та ін. u200506351; заявлено 29.06.2005; опубліковано 16.01.2006. № 1. 4 с: іл.

Топка котла: Деклараційний пат. на корисну модель 11349. Україна, МПК 7 F 23 C 5/02 / Губинський М.В., Федоров С.С., Колодяжний В.С. та ін. u200506353; заявлено 29.06.2005; опубліковано 15.12.2005. № 12. 4 с: іл.

Федоров С.С., Губинский М.В.. Шевченко Г.Л. Оптимальные параметры компактных регенераторов на основе корундовой насадки // Тезисы IV междунар. конф. “Проблемы промышленной теплотехники”. К.: ИТТФ НАНУ, 2005. С. 197 198.

Федоров С.С., Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Моделирование тепловой работы компактных регенераторов с учетом потерь теплоты через ограждения и условий теплообмена в наднасадочном пространстве // Тезисы докладов и сообщений V Минского жеждународного форума по тепло- и массобмену. Т. 2. - Минск: Институт тепло- и массобмена им. Лыкова НАН Белароси, 2004. С. 170 173.

Федоров С.С., Шевченко Г.Л., Губинский М.В. Особенности работы компактных регенераторов // Вопросы тепломассообмена, энергосбережения и экологии в теплотехнологических процессах: Сб. науч. тр. Иваново: ИЭИ, 2003. С. 66 67.

Федоров С., Цкитишвили Э., Шевченко Г. и др. Современные проблемы потребления доменного газа и пути их решения // Проблеми економії енергії: Збірник матеріалів IV Міжнар. науково-практичної конф. Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2003. С. 39 40.

Федоров С.С., Губинский М.В. Условия замены природного газа доменным в нагревательных печах // Материалы 2-й междунар. научно-практической конф. “Автоматизированные печные агрегаты и энергосберегающие технологии в металлургии”. - М.: МИСиС. - 2002. - С. 328 - 329.

Федоров С., Цкитишвили Э., Шевченко Г. і ін. Сучасні проблеми споживання доменного газу й шляхи їхнього рішення // Проблеми економії енергії: Збірник матеріалів IV Міжнар. науково-практичної конф. Львів: Видавництво Національного університету “Львівська політехніка”, 2003. С. 39 40.

Федоров С.С., Губинский М.В. Умови заміни природного газу доменним у нагрівальних печах // Матеріали 2-й междунар. науково-практичної конф. “Автоматизовані грубні агрегати й енергозберігаючі технології в металургії”. М.: МИСиС. 2002. С. 328 329.

АНОТАЦІЇ

Федоров С. С. Підвищення ефективності використання палива в енергетичних і технологічних агрегатах на основі автономних регенеративних підігрівників. Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.14.06 Технічна теплофізика та промислова теплоенергетика. Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2006.

Дисертаційна робота присвячена підвищенню ефективності використання палива в енергетичних та технологічних агрегатах з використанням автономних регенеративних підігрівників на основі насипних насадок.

Розроблено і реалізовано на ПЕОМ математичну модель автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою, що враховує теплообмін у наднасадочному просторі, перенос теплоти теплопровідністю в насадці, втрати теплоти через теплову ізоляцію, залежність теплофізичних властивостей матеріалів і теплоносіїв від температури.

Встановлено ступінь впливу наднасадочного простору на показники роботи автономного регенеративного підігрівника: показано, що врахування фактора при моделюванні процесів теплообміну в регенераторі забезпечує підвищення точності визначення температури нагрівання теплоносія до 8 11 %.

Вперше отримані безрозмірні залежності, що встановлюють зв'язок температури нагрівання газу, амплітудою її зміни за цикл і максимальної температури димових газів з режимними і конструктивними параметрами кулькового регенератора.

На основі рішення задачі оптимізації режимних і конструктивних параметрів кулькових регенераторів по мінімуму капітальних і експлуатаційних витрат отримані залежності для визначення оптимальної висоти насадки при нагріванні доменного газу й повітря.

Розроблено рекомендації з вибору матеріалу залежно від заданої температури підігріву теплоносія та методика проектного розрахунку розмірів насадки компактного регенератора.

Розроблено конструкцію автономного регенеративного підігрівника з насипною насадкою й схеми його спільної роботи з парогенератором і нагрівальною методичною піччю.

Ключові слова: доменний газ, високотемпературне нагрівання, автономний регенеративний підігрівник, насипна насадка, енергозбереження, енергетичні та технологічні агрегати.

Федоров С.С. Повышение эффективности использования топлива в энергетических и технологических агрегатах на основе автономных регенеративных подогревателей. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.14.06 Техническая теплофизика и промышленная теплоэнергетика. Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2006.

Диссертационная работа посвящена повышению эффективности использования топлива в энергетических и технологических агрегатах с использованием автономных регенеративных подогревателей на основе насыпных насадок.

Разработана и реализована на ПЭВМ математическая модель автономного регенеративного подогревателя с насыпной насадкой, учитывающая теплообмен в наднасадочном пространстве, продольный перенос теплоты теплопроводностью в насадке, потери теплоты через тепловую изоляцию, зависимость теплофизических свойств материалов и теплоносителей от температуры.

Установлена степень влияния наднасадочного пространства на показатели работы автономного регенеративного подогревателя: показано, что учет этого фактора при моделировании процессов теплообмена в регенераторе обеспечивает повышение точности определения температуры нагрева теплоносителя до 8 11 %.

Впервые получены безразмерные зависимости, устанавливающие связь температуры нагрева газа, амплитуды ее изменения за цикл и максимальной температуры уходящих дымовых газов с режимными и конструктивными параметрами шарикового регенератора.

На основе решения задачи оптимизации режимных и конструктивных параметров шариковых регенераторов по минимуму капитальных и эксплуатационных затрат получены зависимости для определения оптимальной высоты насадки при нагреве доменного газа и воздуха.

Разработаны рекомендации по выбору материала в зависимости от заданной температуры подогрева теплоносителя и методика проектного расчета размеров насадки компактного регенератора.

Разработаны конструкция автономного регенеративного подогревателя с насыпной насадкой и схемы его совместной работы с парогенератором и нагревательной методической печью.

Ключевые слова: доменный газ, высокотемпературный нагрев, автономный регенеративный подогреватель, насыпная насадка, энергосбережение, энергетические и технологические агрегаты.

Fedorov S.S. The increase of fuel use effectiveness in power and technological units on the basis of autonomous regenerative heaters. The manuscript.

Master thesis seeking the Candidate of Sciences (Technology) degree in specialty 05.14.06 Technical thermal physics and industrial heat and power engineering. National Metallurgical Academy of Ukraine, Dnepropetrovsk, 2006.

This dissertation is devoted to the increase of fuel use effectiveness in power and technological units on the basis of autonomous regenerative heaters with the bulk checker.

The mathematical model of an autonomous regenerative heater with a bulk checker is elaborated and realized on the computer. This model takes into account heat exchange over-checker space, checker heat conductivity, losses of heat resulting from thermal isolation, dependence of thermal properties of materials and heat-carriers on temperature.

The degree of over-checker spaces influence on indices of thermal operation of autonomous regenerative heater is determined. It is shown that taking into consideration this factor during modelling heat exchange processes in a regenerator provides increase of the accuracy of the heat-carrier heating temperature measurement up to 8 11 %.

The dimensionless equations between gas temperature of heating, its change range over the cycle and the maximum temperature of waste smoke gases and working design parameters of the ball-regenerator are established.

On the basis of optimization applied to operational and design parameters of ball-regenerators related to minimum capital and operational expenses, the equations of optimum checker height determination for heating top gas and air are received.

The design calculation technique of the compact regenerator checker sizes and the recommendation for the choice of its material are developed.

The design of an autonomous regenerative heater with a bulk checker and schemes of its combined work with a steam generator and a heating furnace are developed.

Keywords: top gas, high-temperature heating, autonomous regenerative heater, a bulk checker, energy saving, power and technological units.

Размещено на Allbest.ru