Вторичные энергоресурсы и энергосберегающие технологии в промышленности
Покупка
Основная коллекция
Тематика:
Теплоэнергетика. Теплотехника
Издательство:
Инфра-Инженерия
Авторы:
Курбатов Юрий Леонидович, Бирюков Алексей Борисович, Гнитиев Павел Александрович, Олешкевич Татьяна Геннадьевна
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 196
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9729-0796-0
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.
Тематика:
ББК:
УДК:
- 620: Испытания материалов. Товароведение. Силовые станции. Общая энергетика
- 669: Металлургия. Металлы и сплавы
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 13.03.01: Теплоэнергетика и теплотехника
- 22.03.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
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
УДК 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
велика. 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