Вторичные энергоресурсы

В то же время начинает применяться  также комбинированное использование тепла отходящих газов в производственных нагревателях и энергетических теплоиспользующих установках, которое обеспечивает более рациональное энерготехнологическое использование тепла этих газов.

К предложенным до настоящего времени  схемам такого комбинированного энерготехнологического использования тепла отходящих газов относятся, например, схема с установкой парового котла-утилизатора в «рассечку» с хвостовым рекуператором сталеплавильной печи; схема плавильного агрегата с размещением непосредственно за плавильной камерой парового котла-шлакогранулятора экранного типа и с делением хвостового рекуператора на три ступени с расположением между ними пароперегревателя и водяного экономайзера; схемы с газотурбинными установками, встраиваемыми в газовый тракт мощных промышленных печей (коксовых, доменных, сталеплавильных).

Применение подобных встроенных газотурбинных  установок (ВГТУ), вырабатывающих электроэнергию, представляется, бесспорно, целесообразным тогда, когда избыточное давление энергоносителя (газа), используемое в этих турбинах, необходимо по технологическим условиям, например в доменных печах повышенного давления.

Возможно, также применение ВГТУ за крупной мартеновской печью для  использования тепла отходящих газов комбинированно с паровым котлом-утилизатором. При этом через воздушную и газовую турбину ВГТУ пропускаются воздух и газ, направляемые в печь для сжигания.

В остальных случаях ВГТУ, по-видимому, будут уступать по экономичности  паросиловым установкам с котлами-утилизаторами, наиболее эффективно использующими в таких случаях физическое тепло отходящих печных газов.

В каждом частном случае необходим  технико-экономически обоснованный выбор наиболее рационального варианта использования физического тепла отходящих газов промышленных печей.

3.2 Производственные нагреватели.

 Возможность и эффективность использования физического тепла отходящих газов промышленных печей в производственных нагревателях или энергетических установках зависит от огнетехнического процесса печи, располагаемого количества и температуры газов и режимов их поступления.

Приближенно можно считать, что минимум экономически целесообразного  использования тепла отходящих из печей газов соответствует их начальной температуре порядка 300—400° С при атмосферном давлении.

Регенеративное использование  физического тепла отходящих  газов в производственных нагревателях для нагрева компонентов горения уменьшает расход наиболее дорогого технологического топлива и требует меньших капитальных затрат, чем соответствующее использование для энергетических целей.

Между тем удельный расход топлива на технологический процесс, в случае использования отходящих газов для энергетических целей, не снижается. Поэтому в первую очередь следует использовать физическое тепло отходящих газов в производственных нагревателях (регенераторах и рекуператорах) для нагрева компонентов горения, обеспечивающих требуемые огнетехническими процессами температуры в рабочем пространстве промышленных печей.

В остающейся части физическое тепло отходящих газов надо возможно полнее использовать для энергетических целей в тех или других теплоиспользующих установках (в установках для подогрева воздуха или воды и котлах-утилизаторах для производства пара). Следует отметить, что в настоящее время огромное количество различных промышленных печей небольшой тепловой мощности (нагревательных, трубосварочных, отражательных, обжиговых, сушильных и др.) работает большей частью без регенерации. Это обусловливает весьма низкий тепловой к. п. д. печей и во многих случаях целесообразность использования этого тепла для энергетических целей.

В дальнейшем применение для металлургических и других печей  в том или другом размере кислородного дутья устранит необходимость в регенераторах таких печей. При этом температура отходящих печных газов значительно повысится и, следовательно, увеличится количество их физического тепла, подлежащего использованию для энергетических целей.

3.3 Энергетические теплоиспользующие установки.

Для использования физического  тепла отходящих газов промышленных печей применяются следующие разновидности энергетических теплоиспользующих установок:

1) установки для подогрева  воды;

2) установки для подогрева  воздуха;

3) паровые котлы-утилизаторы;

4) газотурбинные установки, встроенные  в запечный газовый тракт.

Первые две разновидности  энергоустановок имеют ограниченное применение.

Горячая вода (t_в ≤ 130 ÷ 150° С), получаемая в установках на отходящих газах, может применяться для отопительно-вентиляционных и бытовых целей и других нагревательных процессов.

Ввиду сезонности большинства основных потребителей тепла горячей воды, достаточно полное годовое использование горячей воды при сколько-нибудь значительной тепловой мощности утилизационных установок не представляется возможным.

Подогрев воздуха в  теплоиспользующих установках отходящими газами местных промышленных печей может производиться:

а) для пластической обработки  металлов воздушными молотами или прессами, причем сжатый воздух подогревается  до 250° С;

б) для нагревательных (сушки) и отопительно-вентиляционных целей в местных производственных помещениях.

Пар, получаемый в котлах-утилизаторах, может быть использован:

а) для производственных, нагревательных, отопительно-вентиляционных и бытовых тепловых целей;

б) для выработки электроэнергии или производства механической работы при раздельном энергопроизводстве;

в) для получения теплофикационной электроэнергии или механической работы агрегатов при комбинированном  энергопроизводстве на базе тепловых производственных, отопительно-вёнтиляционных и бытовых нагрузок.

Количество газов, отходящих  из промышленной печи, при нормальном режиме работы последней, как отмечено выше, более или менее постоянно. При переменном режиме работы некоторых  небольших промышленных печей, возможно, включать на параллельную работу соответствующие котлы-утилизаторы.

Установки с паровыми котлами-утилизаторами могут обеспечивать наиболее полное и рациональное использование  физического тепла отходящих  печных газов, как для теплоснабжения потребителей, так и для выработки электроэнергии при комбинированном или раздельном энергопроизводстве.

Область целесообразного  применения паровых котлов-утилизаторов за печами зависит от начальной температуры  отходящих газов и от тепловой мощности промышленных печей, т. е. от количества потребляемого ими топлива.

Приближенно можно считать, что использование тепла отходящих  газов промышленных печей путем установки паровых котлов-утилизаторов является рациональным, когда располагаемое количество тепла в отходящих газах превышает 2—3 Мккал/ч при годовом использовании не менее 4000 ч и при температуре газов перед котлом-утилизатором не ниже 500° С.

Таким образом, при энергетическом использовании физического тепла  отходящих печных газов основным рабочим теплоносителем является почти всегда водяной пар, вырабатываемый в котле-утилизаторе.

При повышении начальных  параметров пара на электростанции с  котлами-утилизаторами увеличивается  выработка электроэнергии при одинаковых количествах пара и одинаковых конечных давлениях пара за турбиной. В то же время повышение начальных параметров пара удорожает тепловую электростанцию. Поэтому при выборе начальных параметров пара котлов-утилизаторов для комбинированного энергопроизводства на ТЭЦ следует учитывать также возможные условия внешнего энергоснабжения и соответствующую удельную стоимость условного топлива. Комбинированное использование пара котлов-утилизаторов для теплоснабжения и электроснабжения потребителей в каждом случае должно быть экономически обосновано.

В настоящее время  применяются следующие основные конструктивные типы котлов-утилизаторов:

1) газотрубные котлы-утилизаторы,  используемые в установках малой  мощности с низким давлением пара р₀ ≤ 15 ата и для начальной температуры отходящих газов t_о.г.н ≤ 700 ÷ 800°С;

2) змеевиковые котлы-утилизаторы  с многократной принудительной циркуляцией для начальных параметров пара р₀ ≥ 18 ата, t₀ ≥ 375° С;

3) водотрубные котлы-утилизаторы  с естественной циркуляцией, работающие на газах с высокой начальной температурой порядка 1000° С и выше.

В котлах-утилизаторах первых двух типов, устанавливаемых за мартеновскими, металлонагревательными, ватержакетными, нефтеперегонными и другими промышленными печами, используется в основном конвективная теплоотдача газов.

Рис. 3-1. Газотрубный  горизонтальный паровой котел-утилизатор

 На рис. 3-1 показан газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор. В состав его входит: 1– газотрубная система котла; 2 – испарительный внешний барабан; 3 — пароперегреватель; 4 — дымосос.

К недостаткам газотрубных  котлов-утилизаторов относятся ограниченная предельная паропроизводительность – не свыше 7,5 т/ч и пригодность для производства пара давлением не выше 15 ата.

Рис. 3-2. Схема  змеевикового котла-утилизатора  с многократной принудительной циркуляцией

 На рис. 3-2 изображена  схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией, здесь 1 – водяной экономайзер; 2 – испарительные змеевики; 3 – пароперегреватель; 4 – барабан котла; 5 – циркуляционные насосы; 6 – шламоуловитель; 7 – дымосос; 8 – главный паропровод; 9 – главный питательный водопровод от центральной насосной.

 

 Для нормальной  работы змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией необходимо наличие отходящих газов малой запыленности и умеренной температуры. Это устраняет возможность зашлакования трубных пучков змеевикового котла.

 Преимущества таких  котлов, сравнительно с котлами-утилизаторами  других типов, сводятся к следующему:

 а) уменьшаются  затраты металла на котел;

б) имеются практически  неограниченная мощность (пропуск газов) и возможность выработки пара повышенных ;

в) уменьшаются требования к качеству питательной воды;

г) достигается большая  компактность;

д) имеется возможность  применять блочные установки.

Поэтому змеевиковые  котлы, индивидуальные или блочные  с многократной принудительной циркуляцией, являются основным современным типом котлов-утилизаторов, изготовляемых отечественной промышленностью.

Схема блочной (централизованной) установки змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией  изображена на рис. 3-3. Здесь 1 и 2 – испарительные змеевики или собственно котлы-утилизаторы; 3 – общий барабан; 4 – циркуляционные насосы; 5 — групповой пароперегреватель; 6 – питательные насосы; 7 – деаэратор; 8 – расширитель непрерывной продувки; 9 – теплообменник; 10 – трубопровод химически очищенной воды.

 

Рис. 3-3.Схема блочной  централизованной) установки котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией

Котлы-утилизаторы, устанавливаемые  за печами, не требуют непрерывного обслуживания и при наличии автоблокировки нуждаются только в периодическом осмотре.

Централизованное использование  тепла, получаемого от отдельных групп испарительных змеевиков, делает экономичной установку их даже у самых небольших печей. При этом испарительные змеевики в случае необходимости можно размещать в газоходах печей, не загромождая производственных площадей цехов.

 

Недостатками блочной  установки котлов-утилизаторов являются:

а) сложность устройства водяных экономайзеров, что затрудняет снижение температуры отходящих газов при давлениях пара порядка 18 ата и выше;

б) потребность в центральном (групповом) пароперегревателе, обогреваемом топливом (например, доменным газом).

При давлении пара котлов-утилизаторов не выше 10 ата достигаемое снижение температуры отходящих газов может быть экономично достигнуто и без водяных экономайзеров. Расход топлива на центральный пароперегреватель блочной установки незначителен по сравнению с общей экономией топлива, даваемой блочной установкой.

Для водотрубных котлов-утилизаторов, работающих на газах высокой температуры, характерным является использование радиационной теплопередачи. Для котлов этой группы часто оказываются необходимыми специальные, расположенные первыми по ходу газов, радиационные испарительные поверхности нагрева, охлаждающие печные газы до температуры, обеспечивающей грануляцию содержащегося в них расплавленного уноса.

Водотрубные котлы с  естественной циркуляцией, работающие на отходящих газах, применяются в ряде предприятий химической и цементной промышленности, а также в цветной металлургии.