Вторичные энергоресурсы и энергосберегающие технологии в промышленности

 
 
 
 
 
 
 
ВТОРИЧНЫЕ ЭНЕРГОРЕСУРСЫ  
И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ ТЕХНОЛОГИИ 
В ПРОМЫШЛЕННОСТИ 
 
 
Учебное пособие  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Москва 
Вологда 
«Инфра-Инженерия» 
2022 

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.) 
УДК 620.9:669.01(075.8)  
ББК 30.69:34.3я73 
В87  
 
 
 
 
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»); 
Белоусов 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, теплоэлектро- 
централь). 
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 вып
ч
t
 = 1350y1400 żС; 
• энергия побочных продуктов: 
– теплота шлака, температура шлака на выпуске вып
шл
t
 =1450y1550 żС; 
– физическая теплота доменного газа, температура доменного газа на 
колошнике 
.
кол
д г
t
= 150y350 żС; 
– химическая энергия доменного газа, теплота сгорания доменного 
газа 
р
н
Q  = 3y5 МДж/м3; 
– избыточное давление доменного газа, давление доменного газа на 
колошнике 
.
кол
д г
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 окомкование 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 
р
н
Q  § 16 МДж/м3, коксовые отсевы с диаметром
частиц 0–10 мм и теплотой сгорания 
р
н
Q  §26 МДж/кг, доменный газ
9

с теплотой сгорания 
р
н
Q  § 4,0 МДж/м3; конвертерный газ с теплотой 
сгорания 
р
н
Q  § 13 МДж/м3, ферросплавный газ с теплотой сгорания 
р
н
Q  § 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: 
x на их долю приходится максимальная выработка энергетической 
продукции (нагретой воды, пара, электроэнергии) при использовании ВЭР; 
x касаются практически всех переделов металлургического производства; 
x являются основными направлениями использованиями ВЭР для 
других отраслей промышленности. 
10