CC BY
7УДК 621.18-182.2
АНАЛИЗ ПРИМЕНЕНИЯ УТИЛИЗАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ С ПОМОЩЬЮ КОТЛОВ-УТИЛИЗАТОРОВ В СТРУКТУРЕ ХИМИЧЕСКИХ ПРЕДПРИЯТИЙ
Харченко Павел Алексеевич, магистрант, направление подготовки 08.04.01 Теплогазоснабжение населенных мест и предприятий, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: pasha97_06@mail.ru
Научный руководитель: Закируллин Рустам Сабирович, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры теплогазоснабжения, вентиляции и гидромеханики, Оренбургский государственный университет, Оренбург e-mail: rustam.zakirullin@gmail.com
Аннотация. В настоящее время в странах СНГ на промышленных предприятиях (химических, металлургических), содержащих в своем составе такое оборудование как печи, котельные установки имеются значительные энергетические потери за счет отсутствия энергоэффективных технологии утилизации тепловой энергии газов. В связи с этим, возникает вопрос снижения потерь тепла и правильной его утилизации. Утилизация тепла уходящих газов является одним из способов повышения энергетической эффективности химических предприятий. Целью данной работы является определение схемы наиболее эффективного варианта утилизации тепловой энергии уходящих газов в котлах-утилизаторах на химических предприятиях и предложение разработанного варианта схемы утилизации. В статье, на основе проведенного литературного анализа обозначены основные показатели котлов-утилизаторов, необходимые для эффективной и бесперебойной работы установок. Приведен график зависимости количества теплоты, передаваемой поверхностям нагрева от температуры уходящих газов. Дальнейшим этапом настоящего исследования запланирована разработка вариантов схем системы теплоснабжения промышленных предприятий за счет утилизации тепловой энергии уходящих дымовых газов из барабанной вращающейся печи с помощью котла-утилизатора.
Ключевые слова: котел-утилизатор, барабанная печь, газ, утилизация тепловая энергия, энергетика, химическое предприятие, экономия.
Для цитирования: Харченко П. А. Анализ применения утилизационных технологий с помощью котлов-утилизаторов в структуре химических предприятий // Шаг в науку. - 2020. - № 2. - С. 52-55.
ANALYSIS OF THE USE OF RECYCLING TECHNOLOGIES USING WASTE HEAT BOILERS IN THE STRUCTURE OF CHEMICAL ENTERPRISES
Kharchenko Pavel Alekseevich, graduate student, training program 08.04.01 Heat and gas supply of populated places and enterprises, Orenburg State University, Orenburg e-mail: pasha97_06@mail.ru
Research advisor: Zakirullin Rustam Sabirovich, Doctor of Technical Sciences, Associate Professor, Professor, Department of Heat and Gas Supply, Ventilation and Hydromechanics, Orenburg State University, Orenburg e-mail: rustam.zakirullin@gmail.com
Abstract. Currently, in the CIS countries at industrial enterprises (chemical, metallurgical) there are significant energy losses. In this regard, the question arises of reducing heat loss and its proper utilization. The use of these technologies is one of the ways to increase the energy efficiency of chemical enterprises. The aim of this work is to determine the schemes of the most effective option for the utilization of the thermal energy of the flue gases in waste heat boilers at chemical plants and to offer a developed version of the recycling scheme. Based on the conducted literature analysis, the article identifies the main indicators of waste heat boilers. A graph of the dependence of the amount of heat on the temperature of the exhaust gases is given. A further stage of this study is the development of methods for heat supply systems of industrial enterprises through the use offlue gas energy from a rotary kiln with a waste heat boiler.
Key words: Heat recovery boiler, drum furnace, gas, utilization of thermal energy, energy, chemical enterprise, saving.
Cite as: Kharchenko, P. A. (2020) [Analysis of the use of recycling technologies using waste heat boilers in the structure of chemical enterprises]. Shag v nauku [Step into science]. Vol. 2, рр. 52-55.
На данный момент одной из основных задач стратегического государственного масштаба на территории Российской Федерации является программа энергосбережения. В структуре химических предприятий имеются различные значительные энергетические потери, образующиеся в технологических процессах оборудования находящегося в составе предприятий. Одной из основных потерь являются потери тепловой энергии уходящих газов, то есть тепловая энергия газа, нагрев которого происходит в процессе того, или иного производства, используется крайне неэффективно, либо не эксплуатируется вообще, и тепловая энергия газа выбрасывается в окружающую среду. Потери тепла можно классифицировать на высокотемпературные, сред-нетемпературные и низкотемпературные. Нельзя не отметить, что данный факт приводит к большим потерям с энергетической точки зрения в объемах предприятия, страны, мира; а также ведет к образованию различных проблем связанных с экологической составляющей (загрязнение атмосферы, повышение ПДК). Данную проблему нужно исследовать и решать благодаря введению новых технических задач и разработок энергетических мероприятий. Одним из перспективных решений является утилизация тепловой энергии уходящих газов с помощью теплоутилизаторов. Системы рекуперации тепла вводятся для каждого температурного диапазона газов тепла, чтобы обеспечить наиболее оптимальную эффективность утилизации тепла.
Преимуществом утилизации газов является значительная экономия энергии, сырья, а соответственно, и средств использования технологического оборудования и проведения технологического процесса [1]. При температуре газов 600-900 °С, отходящих
от оборудования, имеется возможность повышать экономию топлива около 10-15% (при увеличении температуры подогрева воздуха на каждые 100 °С).
Процессы утилизации тепловой энергии уходящих газов могут проводиться в разных направлениях:
1. утилизация на технологические нужды предприятия;
2. утилизация на подогрев пара, воды для оборудования находящегося в составе предприятия;
3. утилизация тепловой энергии газов для системы теплоснабжения.
Рассмотрим утилизацию тепловой энергии газов для системы теплоснабжения, поскольку, как отмечается в Федеральном Законе № 261 от 23 ноября 2009 года об «Энергосбережении и повышении энергетической эффективности», одним из ключевых направлений является следующее - «любое предприятие должно обеспечивать себя тепловой и электрической энергии самостоятельно».
В статье [2], отмечено, что одним из основных и наиболее качественных теплоутилизаторов в энергетическом секторе различных предприятий являются котлы-утилизаторы. Данные аппараты способны проводить рекуперацию избыточной тепловой энергии газов с температурой до 1000 °С и выше. Еще одной особенностью этих установок являются удаление или уменьшение вредных выбросов в окружающую среду.
Как известно [1-4], существует достаточно большое количество стандартных схем утилизации тепловой энергии уходящих дымовых газов за счет эксплуатации котлов-утилизаторов (КУ) и рекуперативных аппаратов, а также их совместного использования. Рассмотрим схему утилизации тепловой энергии газов предприятия для системы теплоснабжения.
Рисунок 1. Принципиальная схема отбора тепла от печи и подачи на систему теплоснабжения: 1 - печь, 2 - дымосос, 3 - котел-утилизатор, 4 - система фильтрации, 5 - теплообменный аппарат, 6 - система теплоснабжения, 7 - коллектор газа
Тепловая энергия газов, образующаяся в результате экзотермической реакции происходящей в печи 1, имеет температуру 800-900 °С и с помощью дымососа 2 направляется в котел-утилизатор 3, где происходит передача тепловой энергии воде, которая в последующем преобразуется в пар и через пароперегреватель направляется в теплообменник 5, вода в теплообменнике нагревается и направляется в систему теплоснабжения 6. Затем в котле- утилизаторе 3 также происходит снижение температуры газов и подача их в систему фильтрации 4. Тепловая энергия, отбираемая от уходящих дымовых газов, нагревает воду в теплообменных аппаратах до температуры 110-140 °С, затем вода поступает по трубопроводам предприятия в аккумулирующие емкости. При выборе теплоутилизационной схемы необходимо принимать во внимание также такие факторы, как потребность в определенном виде теплоносителя, стоимость топлива, возможность использования эффективных теплооб-менных поверхностей, а также учитывать условия проектирования, монтажа и эксплуатации.
В работе [3] отмечаются основные показатели
КУ, необходимые для эффективной и бесперебойной работы аппаратов в промышленности (химической, металлургической и т. д.). Прежде всего, должен проводиться анализ дымовых газов, например:
1. большое количество H2O увеличивает удельную теплоёмкость и теплопроводность газов;
2. наличие SO2 снижает удельную теплоемкость;
3. содержание SO3 и HCl в дымовых газах вызывает низкотемпературную коррозию;
4. дымовой газ, содержащий золу, имеет потенциал появления шлакообразования.
В статье [1] исследуется возможность устранения и минимизации наличия вредных концентраций в газах, поступающих в КУ и негативно сказывающихся на работе агрегата.
Тепловой расчет КУ, проводившийся авторами [2-4], позволяет привести графические зависимости (рисунок 2), показывающие влияние температуры уходящих газов на количество теплоты, передаваемой испарителю, пароперегревателю и экономайзеру.
Рисунок 2. Зависимость количества теплоты, передаваемого поверхностям нагрева от температуры уходящих газов
Авторы получили данные, которые показывают, что за счет уменьшения температуры уходящих газов количество теплоты, которое передаётся пароперегревателю, увеличивается. Особенно это заметно при уменьшении температуры уходящих газов с 490 °С до 450 °С. В дальнейшем при уменьшении этой температуры до 400 °С, также наблюдается прирост передаваемого тепла, но незначительный. В то же время количество теплоты, передаваемое испарительным поверхностям, незначительно уменьшается во всем интервале выбранных температур. А количество теплоты, передаваемое поверхностям экономайзера, резко возрастает при уменьшении температуры уходящих газов до 450 °С. В итоге, чем ниже температура газов, выходящих из котла, тем больше количество теплоты от этих газов можно преобразовать в КУ в полезную энергию. За счёт этого снизятся потери тепловой энер-
гии в окружающую среду, что в конечном итоге оказывает положительное влияние на эффективность работы котла-утилизатора: чем ниже температура дымовых газов на выходе из котла, тем большее количество теплоты от газов в КУ можно полезно преобразовать, следовательно, меньше количество потерь тепловой энергии в окружающую среду.
Вопрос утилизации тепловой энергии газов с помощью утилизаторов является весьма актуальным, поскольку происходит повышение энергетической эффективности и технико-экономических показателей работы теплотехнического оборудования, находящегося в составе предприятия, а также проводится комплексное использование теплоты отходящих продуктов сгорания для энерготехнологических целей -вторичных энергоресурсов [4-5].
Исходя из всего вышеописанного, стоит сделать определенный вывод, что, несмотря на эффектив-
ность схемы утилизации тепловой энергии предложенными авторами на рисунке 1, данная схема хоть и является простой и не затратной, но недостатки, которыми она располагает, являются весьма значительными с точек зрения эффективности и эконо-
мики. Именно поэтому на сегодняшний день ведется работа по совершенствованию схем утилизация тепловой энергии. Одним из вариантов разработанных схем является вариант, предложенный на рисунке 3.
Рисунок 3. Модернизированная схема отбора тепловой энергии газов: 1 - печь, 2 - дымовые газы, 3 - котел-утилизатор, 4 - технологические установки, 5 - конденсационный котел, 6 - система теплоснабжения
Процесс работы схемы достаточно прост, газ из газопровода с воздухом поступают в барабанную печь 1 через горелку, а также в печь загружается продукт, при их взаимодействии происходит термохимическая реакция с выделением тепловой энергии. После, дымовые газы направляются в котел-утилизатор 3, в котором происходит парообразование. Газы после котла-утилизатора 3 направляются в конденсационный котел 5, где происходит нагрев воды и подача её в систему теплоснабжения 6. Акцент на установку конденсационного котла обусловлен тем, что, данные котлы достаточно эффективные и имеют высокий коэффициент полезного действия.
По результатам данного внедрения схемы в технологический цикл производства, значительно по-
высятся такие факторы, как: энергетическая эффективность и экономическая составляющая, поскольку тепло уходящих газов будет подвергаться глубокой утилизации направленной на получение тепла для системы теплоснабжения с учетом установки такого оборудования, как: воздухоподогреватель, питательные и теплофикационные экономайзеры, дополнительные котельные установки.
В заключении отметим, что на данный момент ведется работа по разработке вариантов утилизационных схем; планируется работа над модернизацией котлов-утилизаторов, а именно создание дополнительных контуров рециркуляции способствующих увеличению утилизации тепловой энергии газов; проводятся теплотехнические расчеты с целью определения наиболее оптимального варианта.
Литература
1. Чупова М. В. Влияние изменения исходных параметров на эффективность работы котлов утилизаторов в составе ПГУ // Образование и наука в России и за рубежом. - 2017. - № 2. - С. 3-6.
2. Тимошпольский В. И., Трусова И. А., Менделев Д. В. Пути повышения энергоэффективности промышленных печей при рекуперации теплоты уходящих дымовых газов // Литьё и металлургия. - 2012. -№ 65. - С. 98-102.
3. Малков Е. С., Шелыгин Б. Л., Разработка расчетных моделей котла-утилизатора для анализа эффективности сжигания дополнительного топлива // Вестник ИГЭУ - 2013. - № 1. - С. 15-18.
4. Йохара Х., Хордехга Н., Альмахмуд С. Технологии и применения утилизации тепла для отходов // Тепловая наука и технический прогресс. - 2018. - № 6. - С. 268-289.
5. Редько А. А., Компан А. И. Утилизация теплоты уходящих газов промышленных печей и технологических топливоиспользующих агрегатов для производства электроэнергии // Альтернативные источники энергии. - 2012. - № 5. - С. 51-55.
Статья поступила в редакцию: 13.04.2020; принята в печать: 13.08.2020.
