Эксергетический анализ промышленных печей Текст научной статьи по специальности «Прочие технологии»

УДК 669.01

$ ЭКСЕРГЕТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ jg| ПРОМЫШЛЕННЫХ ПЕЧЕЙ

•й- Г.М.Никитин

Шщ

î Павлодарский государственный университет им. С. Торайгыровал О.Н.Юрина

III Карагандинский металлургический институт, г. Темиртау

. ! : Мащпада металпургиячьщ пештердщ жумысып багалауга арналган

pS'ifi эксергетикальщ талдаудыц мацызы туралы мэсеш эцг1мелгнген.

||||§ В статье обсуясдаются вопросы значения эксергетического анализа

для оценки работы металлурги ческих печей.

The article is discussed questions about importance excergetical anaiysis for estimation of metallurgical fumaces working.

Промышленная печь предназначена для производства полезного продукта из сырых материалов, называемых далее неэнергетическим сырьем. Это сырье может подвергаться в печах физическим или химическим преобразованиям. Кроме неэнергетического сырья, обычно в печь загружают топливо, химическая эксергия которого служит для поддержания протекания процесса. Протекание процесса может поддерживаться также с помощью электрической энергии. Наконец, в печь поступают обычные компоненты окружающей среды (например, воздух). Наряду с полезными продуктами из печи выдаются также хвостовые продукты, поступающие в окружающую среду. К этим продуктам относятся, например, продукты сгорания, шлак. В некоторых случаях технологи относят шлак к полезным продуктам процесса, считая, что без образования соответствующего шлака не было бы возможно протекание собственно технологических процессов. Значение эксергетического к. п. д. промышленной печи должно отра-

печи, но также степень использования хвостовых продуктов, выходящих из печи. В связи с этим следует принять, что в идеальном процессе не только все превращения в пределах балансового контура являются обратимыми, но и хвостовые продукты полностью используются (т. е. эксергия хвостовых продуктов, выводимых в окружающую среду, в сравнительном процессе равна нулю). Для полного использования хвостовых продуктов может быть необходимо дополнительное использование обычных компонентов окружающей среды (например, введение дополнительного количества воздуха для окисления горючих компонентов продуктов сгорания). Расход обычных компонентов окружающей среды в идеальном процессе может быть иным, чем в действительном. Это не оказывает влияния на результаты эксергетических расчетов, поскольку эксергия обычных компонентов окружающей среды равна нулю.

Приводная эксергия промышленной печи образуется из суммы эксергии топлива и приводной электрической энергии. Полезный эффект процесса выражается разностью эксергии полезного продукта и эксергии неэнергетического сырья. В большинстве случаев, однако, нельзя эксергию полезного продукта полностью отнести к полезному эффекту. Поэтому вводится понятие полезной эксергии Еп полезного продукта. Эта величина устанавливается при температуре окружающей среды; физическая же эксергия, возникающая из разности температур полезного продукта и окружающей среды, относится к потерям эксергии. Однако если разность температур полезного продукта н окружающей среды является необходимой для дальнейшего протекания технологического процесса, то общая эксергия полезного продукта может быть отнесена к полезной эксергии [1].

В обратимом идеальном процессе соблюдалось бы правило сохранения эксергии. Приводная эксергии в этом процессе была бы равна полезному эксергетическому эффекту. На основании этого эксергетический КПД промышленной печи определяется по формуле:

(1)

где Ет —эксергия топлива;

Енэ — эксергия неэнергетического сырья;

Еп—полезная эксергия полезного продукта;

Еэл —приводная электрическая энергия.

При таком определении эксергетического КПД сумма этого КПД,

л

относительных внутренних потерь эксергии и относительных внешних потерь эксергии равна единице. Определение, встречающееся в литературе, не учитывает также влияния степени использования хвостовых продуктов на КПД процесса.

Определение КПД по формуле (1) не может быть универсальным и не во всех случаях может использоваться. Применение этого определения невозможно, например, если исходные вещества процесса нельзя разделить на топливо и неэнергетическое сырье. Такие случаи возникают, например, при рассмотрении процесса газификации твердого топлива (газогенератор). В этом процессе твердое топливо одновременно является носителем приводной эксергии процесса и источником элементов для образования полезных продуктов. При процессах этого рода следует применять индивидуальное определение эксергетического КПД.

Внутренние потери эксергии, возникающие в нагревательных камерах промышленных печей, можно разделить на следующие важнейшие составляющие:

где АЕ0 —потеря эксергии, вызванная непосредственной теплоотдачей в окружающую среду;

теплообмена между охлаждающей водой и охлаждаемой средой;

АЕц т —потеря эксергии, вызванная необратимостью

АЕл х — остальные внутренние потери эксергии,

возникающие, прежде всего благодаря необратимости химических реакций и теплообмена между газовой средой и нагреваемым материалом.

Потери АЕ0 можно рассчитывать по формуле:

Г 1

ЬЕо'О-о^^ (3)

где С>п — тепло, отдаваемое непосредственно в окружающую среду; Т — температура среды, теряющей тепло.

Потери эксергии АЕ# у находят по формуле:

Т-Т0

ЬЕн:г ~йнт -у^~ёЕнх (4>

где т—тепло, отводимое охлаждающей средой:

Т—температура среды, осуществляющей теплообмен с охлаждающей водой;

6ЕНТ —приращение эксергии охлаждающей воды в системе охлаждения.

Потери эксергии АЕд[ х представляют собой остальные потери,

замыкающие эксергетический баланс нагревательной камеры печи. Если в промышленной печи горение протекает не одновременно с другими

химическими реакциями, то потери эксергии АЕ можно выделить как

условные потери эксергии, вызванные горением. Для этого следует считать, что процесс протекает в два этапа: в первую очередь происходит адиабатное сгорание топлива, а затем начинается теплообмен. В соответствии с такой предпосылкой потери эксергии, вызванные необратимостью горения, составляют:

АЕг ~Ет +Ев~ЕПс (5)

\

где Ет - эксергия топлива (суммируется с физической эксергией, если топливо подогревается);

Ев - эксергия подогретого воздуха;

Епс -эксергия продуктов сгорания при адиабатной температуре горения.

Естественно, что потери ДЕГ являются наиболее значительными потерями эксергии в промышленных печах. После выделения этих потерь остаются внутренние потери эксергии АЕС= АЕНХ- ДЕГ, вызванные в основном необратимостью теплообмена между газовой средой и нагреваемым материалом и, кроме того, одновременным проявлением нескольких необратимых явлений [2].

Среди внешних потерь эксергии обычно наибольшими являются потери эксергии физической, вызванные высокой температурой продуктов сгорания или других хвостовых газов, поступающих в окружающую среду. Отличие химического состава продуктов сгорания или других хвостовых газов от состава атмосферного воздуха является причиной потери химической эксергии. Кроме того, в эксергетическом балансе возникают потери физической эксергии в твердых и жидких продуктах. Эти потери относятся к тем продуктам, для которых высокая температура не является необходимой для продолжения технологических процессов. Потери химической эксергии в твердых продуктах и жидкостях определяются значением химической эксергии хвостовых продуктов.

Сравнивая потери энергии в энергетическом балансе и потери эксергии в эксергетическом балансе промышленной печи, можно сделать следующие выводы:

1. Проявление потерь посредством эксергетического баланса делает их более заметными, чем в энергетическом балансе. Большинство причин, уменьшающих совершенство процесса, более трудно выявляется в энергетическом балансе.

2. Наиболее важные потери эксергии не имеют аналогов в энергетическом балансе. К ним можно отнести, например, потери эксергии, вызванные необратимостью химических реакций и теплообмена в нагревательной камере печи.

3. Некоторые потери, несмотря на совпадение названий, имеют неодинаковое техническое значение.

Так, например, в соответствии с эксергетической интерпретацией отдача тепла в окружающую среду сама по себе не является потерей. Потеря эксергии, вызванная этим явлением, возникает только вследствие его необратимости, т. е. конечной разности температур между камерой, отдающей тепло, и окружающей средой. Эта разность технических значений очень заметно проявляется при рассмотрении потерь, вызванных водяным охлаждением. Эксергетический баланс показывает большие потери, вызванные необратимостью теплообмена между охлаждаемой средой и охлаждающей водой. В то же время сам отбор тепла охлаждающей водой и отдача его окружающей среде являются причиной очень малой потери эксергии, поскольку средняя температура охлаждающей воды незначительно отличается от температуры окружающей среды.

4. Наибольшее совпадение технических значений потерь, выявляющихся в обоих балансах, проявляется при анализе потерь, вызванных отдачей в окружающую среду не полностью использованного хвостового продукта. Однако в этом случае обозначаются количественные различия. Так, например, относительные потери, связанные с высокой температурой продуктов сгорания, уходящих в окружающую среду, в эксергетическом балансе значительно меньше, чем в энергетическом. В то же время отношение физической эксергии продуктов сгорания к физической энтальпии продуктов сгорания, находящихся под давлением окружающей среды, будет меньше единицы. Это будет тем заметнее, чем меньше будет температура продуктов сгорания.

ЛИТЕРАТУРА

1. ШаргутЯ. Теплоэнергетика в металлургии. - М.: Энергия, 1976.

2. Степанов B.C., Степанова Т.Б. О методах расчета кумулятивных затрат энергии (на примере производства стал и). //Промышленная теплотехника. - 1990. - № 6. - с. 65 - 71.