Лекция 4

План лекции:

Утилізація теплоти димових газів.

Тепловий баланс печей. Вторинні матеріальні та енергоресурси. Напрями зниження питомої витрати палива в печах. Система випарного охолоджування печей. Принципи утилізації теплоти.

3  Утилизация теплоты дымовых газов

3.1  Тепловой баланс печей

Тепловой баланс можно составлять на единицу времени (печи непрерывного действия) и на цикл работы печи (печи периодического действия).

3.1.1. Тепловой баланс печи непрерывного действия

Печи непрерывного действия – это печи, в которых температурный и тепловой режим во времени не изменяются.

Баланс выражается уравнением, связывающим приход и расход теплоты в единицу времени

                                              М_прих = М_расх [Вт].                                         (3.1)

Рис. 3.1 – Тепловой баланс камеры для нагрева материала

Рекомендуемые материалы

Баланс можно составлять для зон горения топлива, для рабочего пространства печи (зоны горения + зоны утилизации теплоты) и для печи в целом, включая внешние теплообменные устройства. Наилучшим образом характеризует тепловую работу печи баланс рабочего пространства (рис. 3.1), который будет рассмотрен ниже. Для простоты в тепловом балансе будем считать нагрев металла и опустим слагаемые, связанные с окислением металла.

Приход теплоты чаще всего состоит из следующих частей:

- химическая теплота, выделяемая при сжигании топлива в единицу времени и называемая общей тепловой мощностью печи

                                                  М_общ = В×,                                           (3.2а)

где В – расход топлива [м³/с];  – низшая теплота сгорания топлива [Дж/м³];

- теплота, вносимая подогретым воздухом

                                           М_ф.в = В×L_n×i_в= В×Q_ф.в,                                   (3.2б)

где i_в – удельная энтальпия подогретого воздуха [Дж/м³]; L_n – действительный расход воздуха на 1 м³ топлива [м³/м³]; Q_ф.в = L_n×i_в – удельная физическая теплота подогретого воздуха;

- теплота, вносимая подогретым топливом

                                                    М_ф.т = В×i_т;                                            (3.2в)

где i_т – удельная энтальпия подогретого топлива [Дж/м³]. Часто эту величину называют удельной физической теплотой топлива и обозначают Q_ф.т = i_т;

Расход теплоты состоит из следующих частей:

- теплота, воспринятая нагреваемым металлом и называемая усвоенной тепловой мощностью

                                                  ,                                           (3.3а)

где Р – производительность печи [кг/с];  – изменение удельной энтальпии металла в процессе нагрева, называемое тепловым дефицитом [Дж/кг]. Таким образом, тепловой дефицит – это количество теплоты, которое нужно сообщить исходным материалам в расчете на 1 кг конечного продукта;

- потери теплоты с уходящими продуктами горения

                                                 М_ух = В×V_д×i_ух,                                         (3.3б)

где i_ух – удельная энтальпия дымовых газов на выходе из рабочего пространства печи [Дж/м³]; V_д – объем дымовых газов, образующихся от сжигания 1 м³ топлива [м³/м³]; Q_ф.ух = V_д×i_ух – удельная физическая теплота уходящих из печи газов [Дж/м³];

- потери теплоты от химической неполноты горения топлива

                                                  М_х.н = В×Q_х.н,                                           (3.3в)

где Q_х.н = V_д×()×0,01 – удельная теплота недожога топлива в печи [Дж/м³];  и  [%] – процентное содержание СО и Н₂ в продуктах неполного горения;  и  – низшая теплота сгорания СО и Н₂ [Дж/м³];

- потери теплоты из рабочего пространства печи – М_прп, включающие в себя: а) потери теплоты теплопроводностью через кладку; б) потери теплоты излучением через открытые окна и щели; в) потери теплоты с охлаждающей водой на охлаждение внутрипечных металлических элементов; г) потери на нагрев транспортных утройств; д) потери с выбиванием дыма через неплотности кладки; е) потери с механическим недожогом топлива, потери при диссоциации СО₂ и Н₂О; ж) потери на нагрев подсасываемого в печь холодного воздуха и др. Эти потери (М_прп) принято называть мощностью тепловых потерь рабочего пространства печи;

Таким образом, уравнение теплового баланса можно представить в следующем виде:

                        М_общ + М_ф.в + М_ф.т = М_усв + М_прп + М_ух + М_х.н.                  (3.4)

3.2  Вторичные материальные и энергетические ресурсы

Технологические процессы черной металлургии характеризуются низким показателями использования энергии топлива основными его потребителями – металлургическими печами. В этой связи возникло понятие о вторичных энергетических ресурсах (ВЭР). ВЭР – часть энергии топлива, не использованная в технологическом процессе. Аналогично можно внести понятие о вторичных материальных ресурсах (ВМР), как отходах технологического процесса (например, пылевидные выбросы, вода, окалина, шлак). Совершенно очевидно, что использование ВЭР и ВМР не только экономит материально-энергетические ресурсы, но и уменьшает вредные выбросы и снижает загрязнение окружающей среды.

3.2.1  Классификация вторичных энергоресурсов

По виду энергии ВЭР делятся на горючие (топливные), тепловые и избыточного давления.

К горючим ВЭР относятся побочные газообразные продукты технологических процессов, которые могут быть использованы в качестве энергетического или технологического топлива. В черной металлургии к горючим ВЭР относят доменный, ферросплавный и конвертерный газы, а иногда также и коксовый газ.

Тепловые ВЭР представляют собой физическую теплоту основных и побочных продуктов, отходящих газов технологических агрегатов, а также систем охлаждения их элементов. Однако, если эта теплота используется для подогрева сырья или воздуха, т.е. возвращается в технологический процесс, то к ВЭР она не относится.

Доля тепловых ВЭР к общему их выходу составляет около 30 %. На рис. 3.2 приведена классификация тепловых ВЭР.

Рис. 3.2 – Классификация тепловых ВЭР

ВЭР избыточного давления – потенциальная энергия газов, выходящих из технологических агрегатов с избыточным давлением, которое может быть использовано в утилизационных установках для получения других видов энергии.

В табл. 3.1 приведена классификация ВЭР по видам и способам их использования.

Таблица 3.1 – Виды ВЭР и способы их использования

Количество ВЭР, образующееся в технологическом агрегате, называют выходом ВЭР. Эту величину относят либо к единице времени работы агрегата – источника ВЭР, либо в удельных показателях – к единице продукции.

Выход ВЭР определяется произведением количества энергоносителя на его энергетический потенциал. Для горючих ВЭР

                                                   q^гор = m×;                                             (3.5)

для тепловых ВЭР

                                                      q^т = m×i;                                                (3.6)

для ВЭР избыточного давления

                                                    q^изб = m×L,                                               (3.7)

где q^гор, q^т, q^изб – выход соответствующих ВЭР, Дж/с (Дж/кг продукции) ; m – расход энергоносителя, кг/с (кг/кг продукции);  – низшая теплота сгорания ВЭР, Дж/кг; i – удельная энтальпия энергоносителя, Дж/кг; L – удельная работа изоэнтропного расширения газов, Дж/кг.

В некоторых случаях горючие ВЭР выражают в единицах условного топлива:

                                                b = m× / Q_у.т.,                                          (3.8)

где b – выход ВЭР в килограммах условного топлива на единицу продукции или времени, кг усл.т./кг (кг усл.т./с); Q_у.т. = 29308 кДж/кг усл.т. – теплота сгорания 1 кг условного топлива.

На рис. 3.3 представлена схема использования ВЭР с указанием общепринятых терминов.

Рис. 3.3 – Схема использования ВЭР:

1 ‑ ВЭР, пригодные к непосредственному использованию; 2 ‑ ВЭР на утилизационные установки; 3 ‑ возможная выработка энергии; 4 ‑ неизбежные потери; 5 ‑ резерв использования; 6 ‑ утилизационные установки; 7 ‑ фактические потери; 8 ‑ фактическая выработка; 9 ‑ фактическое использование ВЭР

3.3  Направления снижения удельного расхода топлива в печах

3.3.1  Схемы использования теплоты уходящих газов в печах. Принципы утилизации теплоты

Использование физической теплоты отходящих газов осуществляется по трем схемам: 1) технологической (замкнутой и разомкнутой), 2) энергетической и 3) комбинированной.

Технологическая схема предусматривает использование этой теплоты для технологических процессов, как правило, в той же теплотехнологической установке. По такой схеме нагревают воздух, а также в некоторых случаях и газообразные топлива, предварительно подогревают обрабатываемый в печи материал или производят химико-термическую переработку некоторых шихтовых материалов, используемых в данном процессе. При отоплении печей природным газом к технологической схеме относится также термохи­мическая регенерация теплоты отходящих газов, используемая для конверсии метана. Описанные схемы являются замкнутыми, они обеспечивают экономию топлива в самом технологическом агрегате (рис. 3.4). Теплоту отходящих газов можно использовать и в другой печной установке с меньшим температурным уровнем процесса. Такая схема является разомкнутой (рис. 3.5). В этом случае экономится топливо в установке, использующей теплоту отходящих газов. Возможно также последовательное использование теплоты в основном и в низкотемпературных агрегатах.

Рис. 3.4 – Замкнутые технологические схемы использования теплоты отходящих газов:

а ‑ для подогрева воздуха; б ‑ для предварительного нагрева материала; 1 ‑ подвод топлива в печь; 2 ‑ отвод газов из печи; 3 ‑ рекуператор; 4 ‑ подвод воздуха в рекуператор; 5 ‑ отвод дыма; 6 ‑ подвод воздуха в печь; 7 ‑ подача подогретого материала в печь; 8 ‑ подача холодного материала; 9 ‑ выдача материала

Рис. 3.5 – Разомкнутая технологическая схема использования теплоты отходящих газов:

1 ‑ подвод топлива; 2 ‑ подача материала в основную печь; 3 ‑ отвод газов из основной печи; 4 ‑ подача материала в низкотемпературную печь; 5 ‑ низкотемпературная печь; 6 ‑ отвод газов из низкотемпературной печи; 7 ‑ выдача материала из низкотемпературной печи; 8 ‑ выдача материала из основной печи; 9 ‑ подвод воздуха

Применение замкнутой технологической схемы повышает эффективность использования топлива в технологическом агрегате, т.е. снижает выход ВЭР.

Энергетическая схема предусматривает использование теплоты отходящих газов в энергетических установках для производства каких-либо энергоносителей (теплоты, электроэнергии, холода и др.). Возможно последовательное размещение нескольких теплоиспользующих установок, например, котлов-утилизаторов и экономайзеров для подогрева сетевой воды. Таким образом, энергетическая схема является разомкнутой и позволяет сэкономить топливо, расходуемое на производство соответствующих видов и количеств энергоносителей за счет использования ВЭР технологического агрегата (рис. 3.6).

Комбинированная схема сочетает технологическую и энергетическую схемы и обеспечивает как уменьшение выхода ВЭР, так и более эффективное их использование (рис. 3.7).

Каждая из схем имеет достоинства и недостатки. Основным критерием для их сравнения является достигаемая экономия топлива. Однако этот критерий еще не дает основания для окончательной оценки схем. Здесь необходим технико-экономический расчет, учитывающий капитальные и эксплуатационные затраты, устойчивость потребления энергоносителей, полученных за счет теплоты отходящих газов, и др.

Рис. 3.6 ‑ Энергетические схемы использования теплоты отходящих газов:

а ‑ для получения пара; б ‑ для получения пара и горячей воды;

1 ‑ подвод топлива; 2 ‑ отвод газов из печи; 3 ‑ котел‑утилизатор (КУ); 4 ‑ отвод пара из КУ; 5 ‑ отвод дыма из КУ; 6 ‑ подвод питательной воды в КУ; 7 ‑ подвод воздуха; 8 ‑ отвод горячей воды; 9 ‑ подогреватель сетевой воды; 10 ‑ подвод воды в подогреватель

Рис. 3.7 ‑ Комбинированная схема использования теплоты отходящих газов:

1 ‑ подвод топлива в печь 2 ‑ отвод газов из печи; 3 ‑ рекуператор; 4 ‑ подвод воздуха в рекуператор; 5 ‑ отвод дыма из рекуператора; 6 ‑ отвод пара из КУ; 7 ‑ котел‑утилизатор (КУ); 8 ‑ подвод питательной воды в КУ; 9 ‑ подвод воздуха в печь

4  Система испарительного охлаждения печей

4.1  Потери теплоты в системах охлаждения

Огнеупорная футеровка и ряд металлических деталей металлургических печей находятся в зонах высоких температур (до 1600‑1800 °С). Огнеупорная кладка (стены, под, свод и дымоходы) в среднем выдерживает температуру до 1200‑1500 °С. Значительное количество деталей конструкций изготовлены из металлов, предельная температура которых не должна превышать 400‑500 °С.

Для обеспечения надежной работы печей применяется принудительное охлаждаение элементов их конструкций. Перечислим ряд факторов, влияющих на срок службы охлаждаемых деталей: 1) тепловые нагрузки, 2) количество и 3) качество охлаждающей воды и 4) способ охлаждения.

Количество отводимой теплоты определяется тепловыми нагрузками на охлаждаемый элемент Q или удельными тепловыми нагрузками на единицу охлаждаемой поверхности (плотности теплового потока) q. Для разных печей и отдельных деталей эти показатели различны, зависят от температурного режима печей, разгара футеровки, конструкции и состояния тепловой изоляции охлаждаемых деталей и изменяются от минимальных в начале кампании печи до максимальных – в конце кампании. Средние их значения после опытного определения систематизированы в таблицы, и при необходимости их можно найти в специальной литературе.

Полная средняя тепловая нагрузка определяется по формуле

                                                    Q_cp = q_cp×F,                                              (4.1)

где Q_cp и q_ср ‑ соответственно средняя тепловая нагрузка и плотность теплового потока, Вт и Вт/м²; F ‑ тепловоспринимающая поверхность детали, м².

Размеры охлаждаемых деталей и их расположение обычно обусловлены конструкцией печи. Форма детали должна обеспечивать надежность ее охлаждения. Следует избегать острых углов и обогрева сверху, а также следует предусматривать надежную изоляцию обогреваемых поверхностей, обеспечивающую минимально возможный отвод теплоты из печи.

В тепловых балансах печей потери на охлаждение составляют 10‑20 %, а иногда и 30 % всей внесенной в печь теплоты. В черной металлургии получили распространение два способа охлаждения печей: 1) водяное и 2) испарительное.

4.2  Водяное охлаждение

Для водяного охлаждения печей используют техническую воду, расход которой на каждый крупный агрегат достигает в среднем 300‑500 т/ч. Определяется он в зависимости от максимальных тепловых нагрузок Q_max и допустимой температуры воды на выходе из охлаждаемой детали:

                                              .                                         (4.2)

В этой формуле М ‑ расход воды на охлаждение, кг/с; t_вых и t_вх ‑ соответственно температуры воды на входе и выходе из детали, °С; с ‑ теплоемкость воды, Дж/(кг×К).

Техническая вода содержит значительное количество солей, которые при нагреве выпадают в осадок, т. е. на внутренней поверхности охлаждаемых элементов откладывается накипь. Низкая теплопроводность накипи спо­собствует прогару детали. Во избежание выпадения солей температура воды на выходе из детали не должна превышать 40 °С. Обычно она на 10‑12 °С выше температуры воды, поступающей на охлаждение. Такой незначительный перепад обусловливает большой расход воды, в связи с чем пропустить ее через химическую водоочистку не представляется возможным. Соответственно значительно увеличиваются потребление электроэнергии для подачи воды и расход металла на трубопроводы и вспомогательное оборудование.

Различают прямоточную и оборотную схемы водяного охлаждения печей (рис. 4.1). Из-за низкой температуры воды на выходе использование отобранной теплоты пока не представляется возможным.

Рис. 4.1 – Схемы водяного охлаждения печей:

а ‑ прямоточное охлаждение; б ‑ оборотный цикл;

1 ‑ водоемы; 2 ‑ водозаборные устройства; 3 ‑ станции перекачки воды; 4 ‑ охлаждаемая деталь; 5 ‑ линия сброса нагретой воды; 6 ‑ насосы для перекачки нагретой и охлажденной воды; 7 ‑ охладитель (градирня)

Накипеобразующих солей при прямоточной схеме значительно меньше, поэтому надежность охлаждения повышается. Для снижения расхода воды из водоема прямоточную схему охлаждения (рис. 4.1а) заменяют оборотным циклом воды (рис. 4.1б). В этом случае вода циркулирует в системе деталь-насос-градирня-насос-деталь. Для покрытия потерь в циркуляционном контуре необходимо поступление дополнительной воды из водоема, что составляет лишь 5‑10 %.

4.3  Испарительное охлаждение

В системах испарительного охлаждения (СИО) для отвода теплоты от деталей холодная вода заменена кипящей, при этом используется в основном скрытая теплота парообразования. Теплота, отбираемая охлаждающей водой, нагревает ее до температуры кипения при данном давлении, после чего происходит парообразование. В пределах применяемых в СИО давлений (3‑40 атм) на нагрев воды расходуется 130‑630 кДж/кг теплоты; теплота парообразования составляет 2200‑1700 кДж/кг. В итоге количество отбираемой 1 кг воды теплоты во всем диапазоне давлений составляет около 2300 кДж вместо 40‑80 кДж при водяном, что позволяет сократить расход воды примерно в 30-50 раз.

Малый расход воды позволяет обеспечивать питание СИО химически очищенной водой, что увеличивает срок службы деталей в пять‑десять раз. При испарительном охлаждении снижается расход электроэнергии на подачу воды, отпадает необходимость в сооружении громоздких дорогостоящих водоводов, насосных станций, градирен, бассейнов, прудов. Теплота, теряемая при водяном охлаждении, используется для получения пара, направляемого потребителям.

В отличие от водяного испарительное охлаждение предусматривает полное согласование отвода теплоты с технологией работы данной печи. Тепловые нагрузки охлаждаемых деталей переменны. При водяном охлаждении количество охлаждающей воды должно соответствовать максимальным нагрузкам во избежание повышения температуры воды и выпадения накипи. При испарительном – увеличение тепловой нагрузки приводит к турбулизации потока пароводяной смеси, и надежность охлаждения сохраняется, т. е. процесс охлаждения саморегулируется.

Испарительное охлаждение применяют на доменных, мартеновских, нагревательных и других печах.

Во избежание трудностей, обусловленных применением прямоточной схемы испарения воды при переменных тепловых нагрузках для металлургических печей принята система испарительного охлаждения с многократной циркуляцией.

Принципиальная схема системы испарительного охлаждения представлена на рис. 4.2. Охлаждаемые детали двумя трубами присоединяют к барабану-сепаратору. По опускной трубе к детали (к нижней ее части) подводится вода. По подъемной трубе образовавшаяся пароводяная смесь отводится (из верхней части) в барабан-сепаратор, где пар отделяется от воды и направляется в паропровод. Взамен испарившейся в барабан подается свежая питательная вода, и смесь ее с отсепарированной водой опять попадает в охлаждаемую деталь. Циркуляция воды в системе непрерывна. При этом возможна естественная или принудительная циркуляция.

Рис. 4.2 – Принципиальная схема системы испарительного охлаждения:

1 ‑ опускная труба; 2 ‑ охлаждаемая деталь; 3 ‑ подъемная труба; 4 ‑ водозаборное устройство; 5 ‑ станция перекачки воды; 6 ‑ химическая водоочистка; 7 ‑ питательный насос; 8 ‑ подвод питательной воды; 9 ‑ барабан-сепаратор; 10 ‑ отвод насыщенного пара

При естественной циркуляции движущей силой является разность плотностей воды в опускной трубе и пароводяной смеси в подъемной трубе. Для принудительной циркуляции на опускной трубе устанавливают циркуляционный насос. На отечественных предприятиях в СИО обычно применяют естественную циркуляцию, обеспечивающую работу системы независимо от подачи электроэнергии.

Принудительную циркуляцию применяют лишь в частных случаях: для горизонтальных трубчатых элементов методических печей мелко- и среднесортных станов, при недостаточной высоте расположения барабанов-сепараторов над печами, а также при наличии некоторых особенностей охлаждения, например в нагревательных печах с шагающими балками, где направление движения пароводяной смеси обратно естественному (вода подается сверху, пар отводится снизу).

Движение воды в испарительном контуре характеризуется кратностью циркуляции, являющейся отношением количества воды, циркулирующей в единицу времени в контуре, к количеству образовавшегося за это же время пара.

Параметры пара в СИО выбираются на основании анализа топливно-энергетических балансов и технико-экономических расчетов с учетом предельных параметров для данного типа установок. Так, предельные параметры пара для СИО доменных печей составляют 8 ат; мартеновских и двухванных сталеплавильных агрегатов ‑ 25 ат; методических нагревательных ‑ 47 ат.

Удельная выработка пара в СИО определяется для каждого агрегата отдельно. Так, например, в доменном производстве она составляет 0,2 кг/кг; мартеновском ‑ 0,25 кг/кг; прокатном ‑ 0,3 кг пара на 1 кг продукции, соответственно.

Из-за относительно низких параметров пар испарительного охлаждения не всегда находит потребителей. В настоящее время используется менее 85 % пара СИО. Потребители насыщенного пара самые разнообразные. На металлургическом предприятии имеется несколько паропроводов (каждый для пара определенных параметров), к которым подключены как парогенерирующие установки (котлы, КУ, СИО и др.), так и потребители пара соответствующих параметров либо непосредственно, либо через преобразующие устройства. Из паропровода насыщенного пара пар в зависимости от давления используется в технологических цехах для различных нужд. В доменном производстве паром (давление пара 4‑5 ат) увлажняют дутье, уплотняют засыпные аппараты доменных печей, обогревают рудные бункера и трубопроводы, а также применяют для технологических нужд в коксохимическом производстве.

Если Вам понравилась эта лекция, то понравится и эта - 3 Понятие финансовой деятельности государства, ее задачи, функции, методы, правовые основы.

В мартеновском производстве насыщенным паром (давление 1,2‑1,5 ат) подогревают мазут, масла и смолы в резервуарах и трубопроводах.

Насыщенный пар находит потребителей также в энергетическом хозяйстве предприятий: для водоподготовки производственных котельных ТЭЦ ПВС, паровакуумных холодильных установок, кондиционирования воздуха в горячих цехах, получения льда, в горячем водоснабжении бань, прачечных и др.

При дополнительном перегреве насыщенного пара в СИО более высокого давления (24‑45 ат) его можно использовать в турбинах.

Низкопотенциальным паром снабжают деаэраторные, химические водоочистные и различные подогревательные установки, замещая при этом пар промежуточных отборов паровых турбин. В этом случае весь пар турбины поступает в конденсатор, теплотехнические показатели теплофикационного турбогенератора несколько ухудшаются, но в целом по предприятию удельный расход топлива на выработку единицы теплоты уменьшается на 25‑30 %. Такое замещение на деаэраторах не требует затрат, создает экономию 19‑24 кг на 1 ГДж пара условного топлива. При замещении на подогревателях низкого давления экономия условного топлива составляет 9,5‑12 кг/ГДж.

В настоящее время в черной металлургии испарительным охлаждением оборудовано около 120 нагревательных, 260 сталеплавильных (мартеновских и двухванных) и 40 доменных печей.

Как отмечалось выше, СИО работает на химически очищенной воде. В качестве резерва предусматривается временное питание технической водой.