Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Вторичные энергоресурсы и энергосберегающие технологии в промышленности

Покупка
Основная коллекция
Артикул: 792061.01.99
Рассмотрены вопросы использования вторичных энергоресурсов в металлургическом производстве и теплоэнергетике. Приведен широкий спектр расчетов по проблеме. Представлена уникальная методика проектного расчета шариковой регенеративной насадки. Для студентов профилей подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» и всего направления «Металлургия». Может быть полезно специалистам теплотехнического, металлургического и теплоэнергетического профиля, а также инженерно-техническим работникам предприятий.
Вторичные энергоресурсы и энергосберегающие технологии в промышленности : учебное пособие / Ю. Л. Курбатов, А. Б. Бирюков, П. А. Гнитиёв, Т. Г. Олешкевич. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 196 с. - ISBN 978-5-9729-0796-0. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.com/catalog/product/1903841 (дата обращения: 23.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ В ПРОМЫШЛЕННОСТИ



Учебное пособие













Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2022


�ДК 620.9:669.01(075.8)
ББК 30.69:34.3я73
      В87

       Рекомендовано к изданию ученым советом ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет» в качестве учебного пособия для обучающихся образовательных учреждений высшего профессионального образования (протокол № 2 от 26.06.2020 г.)



Авторы:
Ю. Л. Курбатов, А. Б. Бирюков, П. А. Гнитиёв, Т. Г. Олешкевич

Рецензенты:
Троянский А. А., доктор технических наук, профессор (ГОУВПО «Донецкий национальный технический университет»);
            \Вооосовв В. В.,| доктор технических наук, профессор
(ГОУВПО «Донецкий национальный университет»)








В87       Вторичные энергоресурсы и энергосберегающие технологии в
     промышленности : учебное пособие / [Ю. Л. Курбатов и др.]. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2022. - 196 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0796-0

     Рассмотрены вопросы использования вторичных энергоресурсов в металлургическом производстве и теплоэнергетике. Приведен широкий спектр расчетов по проблеме. Представлена уникальная методика проектного расчета шариковой регенеративной насадки.
     Для студентов профилей подготовки «Теплоэнергетика и теплотехника» и всего направления «Металлургия». Может быть полезно специалистам теплотехнического, металлургического и теплоэнергетического профиля, а также инженерно-техническим работникам предприятий.

                                                 УДК 620.9:669.01(075.8)
                                                 ББК 30.69:34.3я73





ISBN 978-5-9729-0796-0

     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2022
© Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2022


           СОДЕРЖАНИЕ



ВВЕДЕНИЕ .........................................................5
1 ВЭР, ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ...............................6
     1.1 Термины и определения в области энергоресурсосбережения..6
     1.2 Вторичные энергоресурсы. Классификация.................7
     1.3 Источники и пути использования ВЭР в металлургии......10
     1.4 Низкопотенциальная теплота ТЭС........................12
     Контрольные вопросы к разделу 1...........................14

2  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОДУКТА ... 15
     2.1 Коксохимическое производство..........................15
        2.1.1 Схема производства кокса. Мокрое и сухое тушение.15
        2.1.2 Схема УСТК.......................................18
        2.1.3 Тепловой баланс УСТК.............................23
        2.1.4 Аэродинамика УСТК................................26
        2.1.5 Теплообмен в камере тушения......................29
        2.1.6 Котлы-утилизаторы в установках сухого тушения кокса.31
     2.2 Производство чугуна и стали...........................34
     2.3 Прокатное производство................................35
     Контрольные вопросы к разделу 2...........................35

3  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ДЛЯ ПОДОГРЕВА КОМПОНЕНТОВ ГОРЕНИЯ.............................36
     3.1 Рекуператоры..........................................36
        3.1.1 Понятие. Классификация. Целесообразность подогрева компонентов горения.......................................36
        3.1.2 Тепловые схемы, проектирование. Тепловой и аэродинамический расчеты.......................36
        3.1.3 Конструкция металлических и керамических рекуператоров.
            Конвективные и радиационные рекуператоры...........41
     3.2 Регенераторы .........................................46
        3.2.1 Понятие, достоинства, недостатки.................46
        3.2.2 Типы и характеристики огнеупорных насадок........47
        3.2.3 Проектный расчет регенератора....................51
        3.2.4 Методика проектного расчета шариковой регенеративной насадки.................................56
        3.2.5 Физическая модель регенеративной насадки.........73
     Контрольные вопросы к разделу 3...........................74

4  ВЭР ОХЛАЖДАЮЩИХ СРЕД. ИСПАРИТЕЛЬНОЕ ОХЛАЖДЕНИЕ .... 75
     4.1 Классификация систем охлаждения..........................75
     4.2 Расчет и проектирование системы испарительного охлаждения................................................84


3


    4.3 Расчет движения жидкости и пароводяной смеси........85
     4.4 Примеры применения испарительного охлаждения........87
4.4.1 Охлаждение доменной печи .....................87
     Контрольные вопросы к разделу 4.........................90

5  ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В КОТЛАХ-УТИЛИЗАТОРАХ........................................91
     5.1 Назначение котла-утилизатора........................91
     5.2 Конструкционные особенности котлов-утилизаторов.....92
     5.3 Особенности эксплуатации котла-утилизатора..........99
     Контрольные вопросы к разделу 5........................100

6  КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ВЭР В МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВАХ...............................................101
     6.1 Использование ВЭР доменного производства...........101
     6.2 Вторичные энергоресурсы кислородно-конвертерного производства стали............120
     6.3 Вторичные энергоресурсы прокатного производства....132
     6.4 Контрольные вопросы к разделу 6....................139

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Термины и определения МИРЭС по вопросам энерго-и ресурсосбережения.........................................141
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Методические указания к расчетной работе № 1 «Использование теплоты продуктов сгорания (ВЭР) нагревательной методической печи»...........................152
ПРИЛОЖЕНИЕ В. Методические указания к расчетной работе № 2 «Сухое тушение кокса»..............................................164
ПРИЛОЖЕНИЕ Г. Методические указания к расчетной работе № 3 «Использование ВЭР печей малой тепловой мощности»..........................................172
ПРИЛОЖЕНИЕ Д. Методические указания к расчетной работе № 4 «Расчет энергосберегающей установки в доменном производстве»....................................179
ПРИЛОЖЕНИЕ Е. Методические указания к расчетной работе № 5 «Расчет установки погруженного горения»....................................................186

СПИСОК РЕКОМЕНДОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ............................192

4


           ВВЕДЕНИЕ



     С ростом и развитием экономики во всех странах мира, а также с увеличением народонаселения наблюдается рост потребления первичных не возобновляемых источников энергии (органического топлива), мировые запасы которых ограничены. В то же время в большинстве энергетических и энергопотребляющих установок промышленности коэффициент полезного использования энергии имеет весьма низкие показатели. Это значит, что на этих установках производится большое количество вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), которые не всегда используются в желаемых объемах. За последние десятилетия разработаны и частично внедрены различные способы использования ВЭР; дальнейшее использование известных и разрабатываемых способов сдерживается большими потребностями в инвестициях, а также недостаточным пониманием и четким экономическим стимулированием.
     Новые проектируемые энергетические и энергопотребляющие промышленные установки должны представлять собой объект энерготехнологического комбинирования, в котором производство основного технологического продукта сочетается с производством тепловой, электрической и механической энергии.
     Учебное пособие содержит описание общих проблем энерго- и ресурсосбережения в металлургии и теплоэнергетике, а также знакомит студентов с известными и разрабатываемыми способами использования ВЭР, с тем, чтобы дипломированные специалисты были ориентированы на внедрение ВЭР на действующих и проектируемых объектах, а также на создание новых способов использования ВЭР.

5


ВЭР, ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ, КЛАССИФИКАЦИЯ



     1.1 Термины и определения в области энергоресурсосбережения

     С 1990 г. в мире действует Мировой энергетический совет (МИРЭС), который создал систему терминов и их определений в области энергоресурсосбережения, потому что до этого была неопределенность в схожих терминах: энергосбережение, экономия энергии, рациональное использование энергии, и т. д. В области энергосбережения основные термины и определения подразделяются на шесть групп:
     1.      Общие термины (энергосбережение, экономия энергии, рациональное использование энергии, энергоемкость, энергетическая цепочка, энергетический расход, удельные затраты на экономию энергии).
     2.      Пассивная экономия энергии (теплоизоляция, теплопроводность, теплопередача, побочная термодинамическая эффективность, энерго-экономичное здание).
     3.      Активная экономия энергии применительно к действующим энергетическим и энергопотребляющим установкам (запрограммированное управление отоплением и кондиционированием воздуха, регулирование нагрузки).
     4.      Активная экономия энергии с помощью дополнительных элементов оборудования, использования вторичного сырья, утилизации вторичных энергоресурсов на действующих энергетических и энергопотребляющих установках (возврат конденсата, регенерация энергии, регенерация сбросной теплоты, регенерация механической энергии, теплообменник, повторное использование материалов, отходы).
     5.      Экономия энергии, достигаемая в результате организационных изменений и внедрения новых систем (замещение, теплоэлектроцентраль).


6


    6.       Тепловые насосы и отопительные теплонасосные системы (тепловой насос, теплонасосная установка, отопительная теплонасосная система).
     Подробное описание терминов и определений приведено в ПРИЛОЖЕНИИ А.

     1.2 Вторичные энергоресурсы. Классификация

     Производственные технологические процессы сопровождаются, как правило, материальными и энергетическими отходами. На технологический процесс расходуется определённое количество топлива, электрической и тепловой энергии. Кроме того, сами технологические процессы могут протекать с образованием различных энергетических ресурсов - теплоносителей, горячих продуктов, газов и жидкостей с избыточным давлением, и т. д. Однако не вся эта энергия используется в технологическом процессе или агрегате; такие неиспользуемые в процессе (агрегате) энергетические отходы называют вторичными энергетическими ресурсами (ВЭР). Количество образующихся вторичных энергетических ресурсов достаточно велико, оно соизмеримо, а иногда и превышает затраты на технологический процесс. Поэтому полезное использование ВЭР - одно из важнейших направлений экономии энергетических ресурсов. Их утилизация связана с определёнными затратами, в том числе и капитальными, поэтому возникает необходимость экономической оценки целесообразности такой утилизации.
     Вторичные энергоресурсы (ВЭР) - энергия, заключенная в основном или побочных продуктах технологического процесса, которую невозможно использовать в данном технологическом процессе, но можно частично или полностью использовать в другом технологическом процессе. В промышленности энергоресурсы разделяются на первичные и вторичные. Первичные энергоресурсы - это топливо, электроэнергия. Вторичные - это ресурсы, которые образуются в результате технологического процесса.


7


    Например, производство чугуна в доменной печи является источником следующих ВЭР:
     •       теплота основного продукта (чугуна), температура чугуна на выпуске из печи t™" = 1350 - 1400 °C;
     •      энергия побочных продуктов:
     -  теплота шлака, температура шлака на выпуске 1™" =1450 - 1550 °C;
     -  физическая теплота доменного газа, температура доменного газа на колошнике $™ = 150 - 350 °C;
                   . о
     -  химическая энергия доменного газа, теплота сгорания доменного газа Q? = 3 - 5 МДж/м³;
     -  избыточное давление доменного газа, давление доменного газа на колошнике р™? < 0,25-0,35 МПа;
     -  теплота охладителя элементов конструкции доменной печи (нагретая вода при водяном охлаждении или пар при испарительном охлаждении).
     Следует подчеркнуть, что к ВЭР относится именно та энергия продуктов технологического процесса, которую невозможно использовать в данном технологическом процессе и следует утилизировать (полезно использовать) в другом технологическом процессе. Использование ВЭР по технической терминологии представляет собой утилизацию. В том случае, если энергия продуктов технологического процесса возвращается в тот же технологический процесс, то это рекуперация (возвращение).
     Источниками ВЭР черной металлургии являются:
     -        процессы подготовки железорудного сырья (агломерация и окомко-вание железорудного концентрата), коксование углей, обжиг известняка, производства огнеупоров и ферросплавов;
     -  процессы производства чугуна в доменной печи и внедоменные процессы получения железа;

8


    -  сталеплавильные процессы (кислородно-конвертерный, электросталеплавильный);
     -  процессы разливки, кристаллизации, нагрева и прокатки металла.
     Вторичные энергоресурсы подразделяются на группы:
     1.         Тепловые ВЭР - тепло продуктов технологического процесса, имеющих температуру на выходе из технологической печи или агрегата значительно превышающую температуру окружающей среды, т. е. обладающих избыточной физической теплотой. В черной металлургии к тепловым ВЭР относится:
     -  физическая теплота основных продуктов технологических процессов (агломерат, окатыши после обжига, известь, кокс, чугун, сталь, прокат);
     -  физическая теплота металлургических шлаков (доменного, конвертерного, электросталеплавильного);
     -  физическая теплота отходящих газов технологических печей и агрегатов (агломерационные, газы обжиговых печей, коксовый, доменный, конвертерный, электросталеплавильный, ферросплавный, отходящие газы нагревательных устройств прокатных цехов);
     -  теплота охладителя элементов конструкций технологических печей и агрегатов, работающих при высоких температурах: нагретая вода при водяном охлаждении, пар при испарительном охлаждении, нагретый воздух при воздушном охлаждении.
     2.         Топливные (горючие) ВЭР (химическая теплота отходящих газов) - продукты технологического процесса, включающие горючие компоненты, что позволяет использовать их в качестве топлива. В черной металлургии к горючим ВЭР относят:
     - горючие отходящие газы технологических процессов (коксовый газ с теплотой сгорания Q? ~ 16 МДж/м³, коксовые отсевы с диаметром частиц 0-10 мм и теплотой сгорания Q? ~26 МДж/кг, доменный газ

9


      с теплотой сгорания Q? ~ 4,0 МДж/м³; конвертерный газ с теплотой сгорания Q? ~ 13 МДж/м³, ферросплавный газ с теплотой сгорания QP ~ 8,3 МДж/м³).
     3.        ВЭР избыточного давления - отходящие газы технологических печей и агрегатов, работающих под давлением выше атмосферного.
     4.        Теплота охлаждающих сред. В высокотемпературных металлургических агрегатах охлаждение необходимо для обеспечения прочности конструкции. Потери тепла при охлаждении составляют от 30 до 60 %.

     1.3  Источники и пути использования ВЭР в металлургии

     В черной металлургии можно выделить три основных направления использования ВЭР:
     1. Использование горючих ВЭР в качестве топлива.
     2.       Использование теплоты отходящих газов технологических печей и агрегатов для выработки пара или нагретой воды в котлах-утилизаторах (КУ).
     3.       Применение систем испарительного охлаждения (СИО), что позволяет получить при охлаждении элементов конструкций печей и агрегатов, насыщенный пар.
     Эти направления являются основными по следующим причинам:
     •  на их долю приходится максимальная выработка энергетической продукции (нагретой воды, пара, электроэнергии) при использовании ВЭР;
     •  касаются практически всех переделов металлургического производства;
     •  являются основными направлениями использованиями ВЭР для других отраслей промышленности.


10


    Основные характеристики топливных газообразных ВЭР черной металлургии сведены в таблицу 1:
Т а б л и ц а 1

Основные характеристики топливных газообразных ВЭР черной металлургии

                               Основной горючий   
Наименование газа QH, МДж/м3       компонент      
Коксовый             < 17    СН4 « 25 %, Н2 « 60 %
Доменный             ~ 4           СО » 30 %      
Конвертерный         ~ 9           СО < 90 %      
Ферросплавный        ~ 7           СО » 70 %      

     Основное значение использования горючих ВЭР заключается в следующем:
     •  экономия покупного топлива, поступающего на предприятие со стороны, что снижает себестоимость металлургической продукции;
     •  возможность образования горючих смесей с теплотой сгорания, наиболее приемлемой для того или иного технологического процесса: коксо-доменная, природно-доменная, природно-коксовая, природно-коксо-доменная.
     Горючие газы-отходы основного производства - доменный и коксовый газы используются практически полностью. Использование ферросплавного газа возможно для технологических (подогрев материалов, частичное предварительное восстановление сырья) и теплофикационных целей. Конвертерный газ частично используют в охладителях, но проблемы полного использования его ещё не решены.
     Физическая теплота продуктов сгорания: у нагревательных печей теплота продуктов сгорания составляет 0,8 ГДж/т проката [1]. Использование этой теплоты возможно в котлах-утилизаторах при условии оснащения их виброочисткой, дробеочисткой, так как запылённость газов довольно

11


�елика. Возможно использование этой теплоты для нагрева шихты в шахтных подогревателях. Нагрев шихты уходящими газами экономит 12 % топлива, повышает производительность печи на 15 %, сравнительно быстро окупает капитальные затраты.
     Потенциальные ВЭР теплоты материалов составляют: 1 ГДж/т жидкого чугуна, 1,2 ГДж/т жидкой стали, 0,8 ГДж/т жидкого шлака, 12 ГДж/т кокса, 0,6 ГДж/т агломерата. Достаточно хорошо налажено использование теплоты кокса, в установках сухого тушения получают 0,3-0,4 т пара/т кокса. Теплота передельного чугуна используется практически полностью, так как он загружается в сталеплавильные агрегаты в жидком виде. Теплота жидкой стали частично используется при горячем посаде слитков в нагревательные колодцы, а также в технологии непрерывной разливки на МНЛЗ; перспективными являются линейно-прокатные модули (ЛПМ), в которых прокатка непрерывно-литых заготовок осуществляется без промежуточного нагрева. Теплота шлаков частично используется в технологии грануляции для получения строительных материалов. Дальнейшее использование теплоты шлаков возможно при создании новых типов грануляторов.
     Теплота охлаждающей среды: в установках испарительного охлаждения выход пара составляет 0,1 т пара/т чугуна. Все технологические вопросы испарительного охлаждения печей решены и требуется максимально широкое внедрение способа в производство. Необходимо улучшать технические решения по унификации охлаждаемых элементов, повышению давления пара, улучшать контроль за схемами охлаждения, усовершенствовать автоматику утилизирующих установок.

     1.4 Низкопотенциальная теплота ТЭС

     Тепловая электрическая станция (ТЭС) - сложная многокомпонентная система, состоящая из большого числа подсистем и агрегатов. При проектировании и эксплуатации ТЭС некоторым агрегатам уделяется

12