Основными потребителями углеводородного топлива в виде природного газа и мазута на предприятии являются технологические печи. Работа такой печи характеризуется несколькими показателями. В качестве показателей используют коэффициент полезного действия печи (КПД) и коэффициент использования топлива (КИТ). Как правило, КИТ составляет 80-90%, в то время как КПД обычно не превышает 50%.
Высокое значение КИТ обусловлено тем, что технология сжигания топлива, применяемая в современных топках, обеспечивает практически количественное его сгорание.
В то же время большие потери тепла с уходящими дымовыми газами (50-70%) и через стенки камеры сгорания (10%) ответственны за низкое значение КПД печи в целом.
Как известно, при сжигании топлива образуются продукты сгорания с высокой температурой. При этом часто в непосредственной близости от печи - источника тепла - возникает задача нагрева некоторых веществ или продуктов. Для решения возникшей задачи представляется вполне естественным использовать теплоту продуктов сгорания.
С целью повышения эффективности использования топлива за счет утилизации тепла продуктов его сгорания широкое применение в промышленности получили различные типы теплоутилизационных аппаратов и установок. Ими снабжены практически все современные модели паровых и водонагревательных котлов.
Классификация теплоутилизационных установок
Теплоутилизационные установки различают по потребителю тепла, способу его передачи и по виду.
Отметим, что существует огромное множество конструкций теплоутилизационных установок. Рассмотрим их классификацию.
По потребителю тепла
- самой печью, за счет возврата части тепла для нагрева поступающей топливно-воздушной смеси;
- за счет других потребителей.
По способу передачи тепла
- путем теплопередачи через стенку;
- с использованием специальных теплоносителей или агентов;
- непосредственной теплоотдачей при соприкосновении горячих и холодных потоков;
- комбинированный (одновременно включает несколько способов).
По видам
- регенераторы;
- котлы-утилизаторы;
- теплообменники;
- контактные экономайзеры;
- тепловые насосы.
Рассмотрим более подробно классификацию теплоутилизационных аппаратов по способу передачи тепла.
1. Часто при решении задачи утилизации тепла потоков путем передачи тепла от одного потока к другому по технологии не допускается смешение нагревающего и нагреваемого потоков газов или жидкостей, из-за возможности, например, их химического взаимодействия. В этом случае теплопередачу между потоками осуществляют через стенку при помощи специальных аппаратов, называемых теплообменниками.
2. Иногда теплопередача от одного технологического потока к другому через стенку невозможна по каким-то причинам. Под этот случай подпадают следующие технологические потоки: имеющие слишком большую разность температур, нагреваемый поток имеет низкую термическую устойчивость, высокую агрессивность. Преодолеть возникающие трудности можно, разделяя потоки специальным тепловым агентом (теплоноситель), который обладает достаточной термоустойчивостью и/или химической активностью. Недостатком такого способа теплопередачи является появление дополнительных потерь тепла за счет использования 2-х разделительных стенок по схеме: нагревающий поток - стенка - теплоноситель - стенка - нагреваемый поток.
3. Непосредственная теплопередача при соприкосновении горячего и холодного потоков используется либо в случае образования легко отделяющихся гетерогенных систем, например, газ - твердое тело, газ- жидкость, либо когда по техническим и прочим условиям и требованиям допускается смешивать жидкость с жидкостью или газ с газом.
Регенератор - это технологический аппарат, предназначенный для нагрева воздуха и представляющий собой камеру, футерованную огнеупорным материалом и заполненную огнеупорной керамической насадкой. Принцип работы: в регенератор попеременно подают либо дымовые газы, либо воздух. Горячие дымовые газы нагревают насадку и стенки регенератора, которые отдают тепло поступающему холодному воздуху. С целью обеспечения непрерывности процесса регенераторы используют парами: один - на нагрев, другой - на охлаждение.
Котел-утилизатор предназначен для утилизации тепла путем нагрева воды и выработки водяного пара. Конкретный пример использования котла- утилизатора будет рассмотрен в главе 12.
Теплообменник - это технологический аппарат для утилизации тепла газов за счет теплопередачи его через стенку газообразному или жидкому теплоносителю. Эти аппараты широко распространены на предприятиях ТЭК. С использованием теплообменников осуществляют следующие технологические процессы: нагрев - охлаждение, испарение - конденсация, плавление - кристаллизация. Поток вещества, используемый в теплообменнике для нагрева, называется теплоносителем, а для охлаждения - хладоагентом. Наиболее часто в качестве теплоносителя используют продукты сгорания углеводородного топлива или водяной пар, а в качестве хладоагента - воду.
Отличие теплообменника от котла-утилизатора состоит в том, что при работе теплообменника с водой в качестве хладоагента отсутствует фазовый переход вода - водяной пар.
Некоторые теплообменные аппараты исторически имеют собственные названия: теплообменник, встроенный внутрь технологической печи, называют рекуператором; теплообменник для нагрева воздуха - калорифером.
Наиболее распространенные схемы утилизации тепла с помощью теплообменников приведены на рис. 10.1.
Контактный экономайзер - это технологический аппарат, который служит для утилизации тепла продуктов сгорания топлива в результате непосредственного (прямого) контакта их с водой. Схема контактного водяного экономайзера приведена на рис. 10.2, из которой видно, что горячие продукты сгорания (ПС) орошаются холодной специально подготовленной водой, не содержащей 
. Для улучшения теплообмена при контакте ПС с водой его проводят на специальной насадке, например, кольцах Рашига. В результате работы экономайзера тепло отходящих продуктов сгорания отбирается потоком воды. Дополнительное количество тепла утилизируют за счет протекания конденсации паров воды, содержащихся в продуктах сгорания углеводородного топлива. На выходе из экономайзера нагретая вода в теплообменнике отдает свое тепло теплоносителю (Т). При этом коэффициент использования топлива в системе котел-экономайзер по сравнению с котлом возрастает на 10-15%.
При утилизации продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 
метана в экономайзере, удается получить около 1,6 кг водяного конденсата. По своим физико-химическим характеристикам конденсат представляет собой синтетическую воду, не содержащую растворенные соли. Например, в котельной ООО «Оренбурггазпром» дымовые газы от трех котлов направляются в контактный экономайзер, который служит для нагрева 50 т/ч воды с 25 до 75°С. При этом удается сконденсировать из дымовых газов около 70% синтетической воды - продукта реакции горения природного газа.
Расчетная экономия теплоты составляет около 5000 (5- 
) ГДж, что эквивалентно теплоте сгорания 1,5 млн. природного газа.
Таким образом, работа контактных экономайзеров осуществляется на синтетической воде, что дает дополнительный экономический эффект за счет экономии затрат на проведение водоподготовительных работ (обессоливание, умягчение и т.д.). Преимущество экономайзера в сравнении с теплообменником состоит в более высоком КПД, поскольку помимо тепла газообразных продуктов сгорания в нем используется теплота фазового перехода водяной пар-вода.
Основный недостаток экономайзера - получаемая горячая вода содержит значительное количество растворенных продуктов сгорания топлива, прежде всего 
, а также воздуха и некоторых других ( 
, 
). Поэтому горячую воду из экономайзера перед использованием в сетях горячего водоснабжения требуется дегазировать.
Тепловой насос - это теплоутилизационный аппарат, использующий теплоту фазового перехода пар-жидкость (например, водяной пар - вода). Рассмотрим работу простейшего теплового насоса, представленного на рис. 10.3. Тепловой насос (ТН) представляет собой конструкцию типа «труба в трубе» и состоит из корпуса 1, внутри которого имеется стакан 2. Расстояние между стенкой корпуса и стенкой стакана должно обеспечивать сток конденсата.
Рис. 10.1. Схемы применения теплообменника:
Н - наружный теплообменник, В - внутренний теплообменник
- продукты сгорания (теплоноситель), - вода (хладоагент)
Рис. 10.2. Схема контактного экономайзера:
1 - контактный экономайзер; 2- горячие ПС из топки;
3- охлажденные ПС; 4- горячая В; 5- холодная В
из теплообменника; 6- теплообменник противоточного типа «труба в трубе»; 7-циркуляционный водяной насос; ПС- продукты сгорания топлива; В-вода; Т-теплоноситель
Насос герметично закрыт и внутри него находится вода при давлении, существенно меньше атмосферного (в вакууме).
Нагрев
Рис. 10. 3. Схема теплового насоса:
1 - корпус насоса; 2 - внутренний стакан; 
вода; 
пар
При нагреве дна насоса пары воды поднимаются вверх по центральной части стакана и переносят определенную порцию тепла. Достигнув холодной зоны, пары конденсируются, и образующаяся вода под действием гравитационных сил стекает на дно насоса, большей частью по зазору между корпусом и стаканом.
Очевидно, что количество тепла, перекаченного снизу-вверх тепловым насосом определяется теплотой фазового перехода вода - водяной пар ( 
9,6 ккал/моль).
Необходимым условием эффективной и устойчивой работы насоса является его вертикальное положение, благодаря которому обеспечивается возврат воды в зону нагрева.
Коэффициент теплоотдачи
Процессы передачи тепла через стенку, особенно в тех случаях, когда трудно определить поверхность теплообмена, а движение теплоносителя и/или хладоагента имеет турбулентный характер, не всегда поддаются аналитическому расчету по формуле 
. Поэтому для процессов теплопередачи вводят коэффициент теплоотдачи ( 
), ккал/ 
ч 
°С
где 
- тепловой поток, т.е. количество тепла передаваемое через единицу поверхности в единицу времени, ккал/ 
;
- разность температур теплоносителя и хладоагента через стенку теплообменника, °С.
По этой формуле расчет теплового потока сводится к определению коэффициента теплоотдачи, который, в свою очередь, определяется экспериментально или с помощью методов теории подобия для каждого типа теплообменника.
Вторичные тепловые энергоресурсы
До сих пор, говоря об энергетическом ресурсе, понимали под ним природный невозобновляемый энергетический ресурс, образованный в результате земных геологических процессов. Типичными представителями первичного углеводородного энергоресурса являются нефть, газовый конденсат, природный газ и некоторые другие.
Под вторичным энергетическим ресурсом понимают энергетический ресурс, получающийся в качестве побочного продукта и/или отхода в тепловом технологическом процессе и который может быть использован повторно внутри и/или вне данного технологического процесса. К числу вторичных энергетических ресурсов следует отнести: дымовые газы, отработанный водяной пар, газы НПЗ и другие.
На рис. 10.4 приведена схема использования вторичных тепловых ресурсов, а в табл. 10.1 - состав и теплота сгорания газов НПЗ. Типичные примеры энергосберегающих технологий и установок для рис. 10.4: (1) - синтез аммиака; (2) - сушка, выпаривание; (3) - тепличное хозяйство; (4) - отопление, кондиционирование воздуха, горячее водоснабжение.
Пирамида тепловой энергии
Схему утилизации тепла удобно рассмотреть, используя пирамиду тепловой энергии. Основные потери тепла в нагревательных печах, газотурбинных установках и других технологических аппаратах и агрегатах вызваны потерями с уходящими газами, температура которых находится в интервале 200-1400°С.
Один из эффективных энергосберегающих подходов состоит в полезном использовании тепла дымовых газов в энерготехнологических комплексах, которые представляют собой последовательность технологических аппаратов и процессов, проводимых при различных температурных режимах.
Рис. 10.4. Схема использования тепловых вторичных ресурсов
Применяют технологические схемы (последовательность технологических аппаратов), которые обеспечивают постадийную утилизацию тепла дымовых газов. Схема позволяет ступенчато снижать температуру продуктов сгорания углеводородного топлива с высокой (выше 550°С) до средней температуры (550-150°С) и в конечном итоге до температуры ниже 150°С.
На рис. 10.5 приведена пирамидальная 4-х стадийная схема утилизации тепла. Схема утилизации тепла дымовых газов предусматривает ступенчатое уменьшение их теплосодержания за счет постадийного вовлечения тепла этих газов в разнообразные теплообменные процессы. Утилизация тепловой энергии дымовых газов происходит по следующей схеме: источник тепла (ИТ) теплообменник (ТО) потребитель тепла (ПТ). Естественно теплообмен неизбежно сопряжен с определенными тепловыми потерями (ТП), которые в свою очередь зависят от многих факторов.
Таблица 10.1 Состав и теплота сгорания газов НПЗ
| Газ установки | Состава газа, % об | Теплота сгорания, МДж/ 
| ||||||
| 
| 
| 
| 
| 
| 
| ||
| АВТ-6 | 0,02 | |||||||
| Риформинга | 0,002 | |||||||
| Гидроочистки | 0,4 | 0,1 | 0,8 | |||||
| Факела | 1,2 |
Под рис. 10.5 подпадает следующая вполне реальная схема утилизации тепла.
I Стадия
Топочные дымовые газы из печи беспламенного горения (ИТ-1) поступают в трубчатый теплообменник (ТО-1), где часть тепла дымовых газов расходуется, например, на нагрев топливно-воздушной смеси на входе в печь беспламенного горения (ПТ-I). Утилизация тепла дымовых газов сопровождается теплопотерями (ТП-1).
II Стадия
Не использованное на I-ой стадии тепло дымовых газов (ИТ- II) используют в котле-утилизаторе (TO-II), в котором часть тепла дымовых газов идет на выработку перегретого водяного пара (ПТ- II). Утилизация тепла дымовых газов сопровождается теплопотерями (ТП- II).
III Стадия
После II -ой стадии еще сравнительно горячие дымовые газы с остаточным теплом (ИТ- III) направляют в контактный экономайзер (ТО- III), в котором тепло дымовых газов частично затрачивается на выработку горячей воды для теплосети (ПТ- III). Утилизация тепла дымовых газов сопровождается теплопотерями (ТП- III).
IV Стадия
Оставшееся после III -й стадии тепло охлажденных продуктов сгорания углеводородного топлива (ИТ-IV) полностью утилизируют, например, в контактном воздухонагревателе для подогрева газовой атмосферы теплицы. Содержащийся в дымовых газах 
служит подкормкой тепличных растений.
ИТ- источник тепла, ТО-теплообменник, ТП- тепловые потери, ПТ- потребитель тепла
Рис. 10.5. Пирамида утилизации тепла
10.3. Утилизация 
Зеленые растения являются основными производителями на Земле органического вещества. По реакции фотосинтеза из воды и углекислого газа на солнечном свету в присутствии хлорофилла идет непрерывный синтез углеводов й кислорода. Реакция фотосинтеза обратима и имеет вид:
Она показывает, что растения, как и любые живые существа, дышат. Днем зеленые растения поглощают и выделяют 
, а ночью наоборот поглощают и выделяют в атмосферу . Хлорофилл (chlorophyl) с химической формулой 
является природным катализатором фотосинтеза и зеленым пигментом, который содержат зеленые листья растений.
Кинетика фотосинтеза
Как известно, увеличение концентрации в атмосфере связывают с увеличением объемов сжигания ископаемого топлива (угля, газа, нефти, газового конденсата, продуктов нефтегазопереработки). Различные модели, позволяющие экстраполировать концентрацию в атмосфере на XXI век, прогнозируют ее быстрое увеличение. Однако часто такие модели не учитывают протекание реакции фотосинтеза.
Отметим, что существует пороговое значение концентрации 
0,009%, при которой большинство современных растений не ведет фотосинтез. Иначе говоря для нормальной физиологии растений атмосфера Земли всегда должна содержать некоторое количество .
Оценим возможности фотосинтезе в регулировании концентрации в атмосфере.
Согласно первому постулату химической кинетики скорость реакции фотосинтеза 
равна:
где k -константа скорости фотосинтеза;
- концентрации соответственно и 
[ 
] - концентрация катализатора фотосинтеза (хлорофилла).
Предположим, что количество воды и зеленых растений в биосфере не изменяется. Иначе говоря 
и [ ] ≈const. Это предположение имеет смысл с точностью примерно ± 10%. Как результат техногенного воздействия на биосферу отмечают незначительный рост уровня Мирового океана, т.е. 
, и уменьшение зеленых растений суши. На долю «сухопутных» растений, как известно, приходится около 10% всей земной флоры. Остальные 90% составляют зеленые растения (фитопланктон) Мирового океана, количество которых не меняется, следовательно концентрация хлорофилла остается практически постоянной ([ ] ≈ const).
Тогда уравнение для скорости фотосинтеза примет вид:
где 
= 
кажущаяся константа скорости фотосинтеза
Из (10.2) видно, что при постоянной температуре скорость фотосинтеза пропорциональна концентрации . То есть рост концентрации в атмосфере приводит к увеличению его расхода на фотосинтез.
Из приведенной кинетики фотосинтеза видна для искусственного увеличения скорости фотосинтеза и снижения его концентрации в атмосфере. Метод ускорения фотосинтеза в регулируемой газовой среде за счет увеличения в ней концентрации нашел применение в тепличном сельском хозяйстве для повышения урожая овощей, фруктов и цветов. Например, подкормка растений может осуществляться продуктами сгорания углеводородных топлив, содержащих значительное количество , которые специально добавляют в ограниченный объем воздушной среды теплицы.
Дата: 2016-10-02, просмотров: 472.
