Производство тепловой энергии в виде пара и горячей воды

Рисунок 5 – Сложный вид теплообмена: теплопередача

Рисунок 1 - Структура топливно-энергетической системы страны

3. Промышленная энергетика – энергетика отраслей экономики страны – включает в себя электроэнергетические и теплоэнергетические системы промышленных предприятий. Последние получили также название промышленная теплоэнергетика, которая объединяет:

- установки прямого использования топлива (силовые установки, промышленные печи, энерготехнологические агрегаты)

- теплоиспользующие установки (теплообменные, сушильные, ректификационные, выпарные, холодильные, отопительные и другие аппараты и агрегаты).

1 Характеристика теплотехнологического производства [2]

Технологические производства, использующие топливо и тепловую энергию и осуществляемые через изменение теплового состояния обрабатываемого материала, называются теплотехнологическими. Примерами теплотехнологического производства являются цветная и черная металлургия, нефтеперерабатывающие комплексы, тепловые электрические станции и т.д.

В качестве примера теплотехнологического производства можно рассмотреть технологический цикл получения железа из руды на Карагандинском металлургическом комбинате ныне ОАО «ArcelorMittal Temirtau» (рис.2).

КХП – коксохимическое производство, АФ – агломерационная фабрика,

ДЦ – доменный цех, ККП – кислородно-конвертерный передел (конвертерный цех), МЦ – мартеновский цех, ЦНП – цех нагревательных печей, ЦП – цех проката,

ТЭЦ – теплоэлектроцентраль (заводская)

1 – коксующийся уголь (топливо), 2 – рудный концентрат, 3 – кокс, 4 – агломерат,

5 – жидкий чугун, 6 – жидкая сталь, 7 – слитки, 8 – готовая продукция (прокат),

9 – электроэнергия, 10 – коксовый газ, 11 – доменный газ

Рисунок 2 – Структура металлургического комплекса

Исходным сырьем металлургического передела является железная руда, содержащая смесь окислов железа (Fe₂O₃, Fe₃O₄, FeO) и минеральные примеси (Si₂O₃, Al₂O₃, CaO). Восстановление железа из руды осуществляется с помощью газа-восстановителя СО, образующегося при неполном сжигании твердого топлива.

Последовательность восстановления окислов железа выглядит следующим образом:

.

Исходные руда и твердое топливо предварительно обогащаются на обогатительных фабриках в основном флотационным методом и виде измельченных концентратов поступают на комбинат. Обогащение сырья необходимо для уменьшения в нем минеральных примесей и, как следствие, уменьшения тепла для получения полезной продукции.

На агломерационной фабрике рудный концентрат окомковывается, и агломерат подается в доменный цех. Угольный концентрат окомковывается в коксовых батареях и виде кокса также подается в доменных цех. В процессе коксования из угля выделяются летучие газы, образуя коксовый газ, состоящий в основном из водорода Н₂ и метана СН₄. Коксовый газ в дальнейшем используются в качестве топлива в других технологических установках.

В доменной печи происходит восстановление железа из агломерата (рис.3).

1 – топливо, 2 – окислитель (воздух, кислород), 3 – шихта (агломерат, руда, известняк),

4 – кокс, 5 – жидкий чугун, 6 – шлак (технологические отходы), 7 – доменный газ

Рисунок 3 – Схема доменной печи

Доменная печь представляет собой агрегат, имеющий вертикальную шахту круглой или прямоугольной формы, выполненную из огнеупорного материала, в которую сверху через колошник загружается обрабатываемый материал – шихта (агломерат, кокс, другие материалы). В нижнюю часть шахты подается воздух (кислород) и газообразное топливо, которое горит и образует высокотемпературные продукты сгорания. Продукты сгорания поднимаются вверх и проходят через слой шихты. Реагируя с углеродом кокса продукты сгорания образуют восстановительный газ СО, который вступает в реакцию с окислами железа:

В результате восстановительных реакций в доменной печи образуется расплавленное железо с содержанием углерода 3-4%, которое называется чугуном. Углерод придает твердому чугуну свойства хрупкости. Такой металл работает только на сжатие. Он не обладает пластичностью, не работает на изгиб, его нельзя обрабатывать на токарных станках. Поэтому чугун подвергают дальнейшей обработке в мартеновском и конвертерном цехах, где содержание углерода снижается до уровня 0,2-0,5%. Железо с таким содержанием углерода получило название стали.

Продукцией комбината являются стальные слитки, металлические листы, жесть, трубы разного диаметра. Для получения металлических изделий металл пропускается через прокатные станы после предварительного его нагрева в нагревательных установках (колодцах, методических печах).

Схема нагревательного колодца для нагрева слитков до температуры 1250^оС с целью придания металлу хороших пластических свойств представлена на рисунке 4.

1 – топливо, 2 – воздух, 3 – слитки, 4 – уходящие газы

Рисунок 4 – Схема нагревательного колодца

Образующиеся при металлургическом переделе горючие технологические газы (коксовый, доменный и конвертерный) могут использоваться для работы высокотемпературных установок и заводской теплоэлектроцентрали, в которой вырабатывается электрическая энергия, тепло в виде пара и горячей воды, сжатый воздух повышенного давления.

Как видно из приведенного примера в основе теплотехнологического производства лежит использование различных видов энергетических ресурсов. В качестве источника энергии выступают (таблица 1):

· химически связанная энергия органического топлива (природного газа, угля, мазута);

· химически связанная энергия и физическое тепло газообразных продуктов технологического производства (доменного и коксового газа).

Таблица 1 – Годовой топливный баланс металлургического завода [3]

В промышленности, кроме того, используются и другие виды энергоресурсов: сжатый воздух, кислород (технический), искусственные газы (например, газогенераторный), пар и горячая вода. Широкое применение на производстве находят вторичные энергетические ресурсы, связанные с физическим теплом отходящих из теплотехнологических агрегатов высокотемпературных газов. Тепло этих газов может быть использовано для выработки пара и горячей воду в котлах-утилизаторах.

2 Энергетические ресурсы, используемые в технологическом производстве

В промышленности и в быту потребляются различные виды энергоресурсов.

Под энергетическим ресурсом понимается источник энергии, который используется в технологическом производстве. Энергетические ресурсы можно разделить на [4, 5]:

а) топливные:

· первичные – уголь, нефть, природный газ, горючие сланцы, торф;

· искусственные – горючие газы технологических производств, кокс;

б) нетопливные – энергия воды и ветра, лучистая энергия солнца, тепло подземных вод, энергия морских приливов и т.д.

Указанные энергетические ресурсы являются:

· невозобновляемыми – запасы которых постепенно уменьшаются по мере потребления (каменный уголь, нефть, природный газ, атомное горючее);

· возобновляемыми – запасы которых постоянно воспроизводятся (гидроэнергия, древесина, торф, энергия солнца, ветра).

В теплотехнологическом производстве в основном используются топливные энергетические ресурсы.

Основным источником тепловой энергии для теплотехнологического производства является химически связанная энергия органического топлива, содержащего химические элементы (C, H, S), при окислении которых выделяется тепло. Свое название органическое топливо получило в связи с тем, что химические элементы, входящие в его состав, находятся в подавляющем большинстве случаев в виде органических соединений.

Химический состав твердого и жидкого топлива характеризуется суммарной массой (в %) химических элементов, в 1 кг топлива.

Элементарный состав твердого топлива можно представить следующим образом

(2.1)

где A – содержание минеральной части топлива, представляющей собой массу несгоревшего остатка (зольность);

W – содержание влаги в топливе (влажность).

Состав рабочей массы топлива, сжигаемого в технологическом аппарате, в значительной мере зависит от величины внешнего балласта (зольности) и особенно влаги топлива.

Состав газообразного топлива обычно представляется в виде горючих и негорючих химических соединений и водяных паров

. (2.2)

Органическое топливо является источником энергии, которое выделяется при реагировании горючих элементов с кислородом. Процесс окисления топлива с интенсивным выделением тепла и быстрым повышением температуры продуктов реагирования (в отличие от медленного окисления в естественных условиях) называется горением и описывается термохимическими уравнениями

, (2.3)

(2.4)

где Q – тепловой эффект реакции в МДж/кмоль.

Для полного окисления горючих компонентов топлива необходимо строго определенное количество кислорода воздуха, которое определяется из материального баланса химической реакции

. (2.5)

Из уравнения 1.5 выходит, что для окисления 1 кг углерода необходимо израсходовать (32:12)=2,67 кг кислорода. Так как кислорода в воздухе содержится 21% по объему (23,1% по массе), то для сжигания 1 кг углерода необходимо израсходовать 0,0889 м³ воздуха.

Для сжигания 1 кг твердого топлива требуется теоретический расход воздуха

, м³/кг, (2.6)

где индекс «р» означает содержание элементов в рабочей массе топлива.

В практических условиях для организации полного сжигания топлива действительный расход воздуха должен превышать теоретический расход, определяемый по химической реакции. Превышение действительного расхода воздуха характеризуется коэффициентом избытка воздуха

. (2.7)

Коэффициент избытка воздуха для сжигания топлива обычно поддерживается на уровне 1,05 – 1,15.

В процессе горения образуются газообразные продукты горения , , . Кроме того, в составе продуктов горения находятся нейтральный азот воздуха и топлива, а при коэффициенте и кислород избыточного воздуха .

В процессе горения выделяется тепло, равное сумме тепловых эффектов химических реакций. Это тепло называется теплотой сгорания или теплотворной способностью топлива . Это тепло усваивается продуктами сгорания топлива, в результате чего их температура достигает величины

, °С (2.8)

где – теплоемкость продуктов сгорания, кДж/м³·град.

3 Теоретические основы теплотехники [6]

Химически связанная энергия органического топлива в теплотехнологическом производстве может использоваться как непосредственно для осуществления технологического процесса, так и для производства искусственных (вторичных) видов энергии: тепловой и электрической энергии, сжатого воздуха, технического кислорода, искусственных газов и т.д.

Как известно из физики, тепло от теплоносителей к обрабатываемому материалу может передаваться теплопроводностью (кондукцией), конвекцией и тепловым излучением. Под теплопроводностью понимается теплообмен внутри твердого, жидкого или газообразного тела при непосредственном контакте молекул или частиц имеющих различную температуру. Конвекцией называется перенос тепла при перемещении жидкости или газа из одной пространственной точки в другую. И, наконец, под тепловым излучением или радиацией понимается перенос энергии с помощью электромагнитных волн.

Количество тепла, которое переносится каждым видом теплообмена, описывается уравнениями:

- теплопроводности:

, Вт (3.1)

где λ – коэффициент теплопроводности, равный количеству тепла, проходящего в единицу времени через единицу поверхности при изменении температуры на 1^оС на 1 метр пути теплового потока, Вт/м ·град;

– температуры на разных ограничивающих тело сторонах, ^оС;

δ – толщина стенки, м.

- конвекцией:

Вт (3.2)

где α – коэффициент пропорциональности, называемый коэффициентом теплоотдачи, равный количеству тепла, передаваемого от жидкости или газа к стенке, Вт/м²·град;

F – поверхность теплообмена, м²;

T_{ж, ст} – температура жидкости и стенки, ^оС.

- излучением:

Вт/м² (3.3)

где Е – полное количество энергии, излучаемое с единицы поверхности абсолютно черного тела в единицу времени;

С_о – коэффициент излучения абсолютно черного тела;

Т – абсолютная температура поверхности тела (Т=t_ст+273), К.

Газообразные вещества излучают энергию всем объемом, в отличие от поверхностного излучения твердого тела. Излучают и поглощают энергию только многоатомные газы (3 и более атомов). Одно- и двухатомные газы прозрачны для тепловых лучей и потому не излучают и не поглощают лучистую энергию.

В теплотехнологических процессах протекают одновременно все виды теплообмена, однако роль отдельных видов в сложном теплообмене различна. Наиболее часто встречаются сочетание конвективного и лучистого теплообмена. При температурах газов менее 800^оС преобладает конвективный теплообмен, а при температурах более 1000^оС – лучистый.

Количество тепла передаваемого в процессе теплопередачи определяется по формуле:

, Дж (3.4)

где k – коэффициент теплопередачи

– коэффициенты теплопередачи с внешней и внутренней стороны поверхности теплообмена.

При известных значениях температур теплоносителей и коэффициента теплопередачи по формуле 3.4 можно определить требуемую поверхность теплообменного аппарата.

Тепловая энергия в теплотехнологическом производстве используется в виде физического тепла различных теплоносителей.

4.1 Выработка пара и горячей воды в котельных установках [7]

В качестве теплоносителя в теплотехнологическом производстве могут использоваться различные газообразные и жидкие вещества, твердые тела. Наиболее широкое применение находят: водяной пар, горячая вода, продукты горения топлива, масла, различные растворы солей, жидкие расплавленные металлы и взвешенные в газовом потоке твердые частицы. Каждый теплоноситель обладает достоинствами и недостатками, определяющими области и границы их применения.

Водяной пар, являющийся одним из основных и наиболее часто применяемых теплоносителей, обладает следующими достоинствами:

· возможность транспортировки теплоносителя на большие расстояния;

· высокий коэффициент теплоотдачи при конденсации теплоносителя;

· выделение при конденсации скрытой теплоты парообразования, позволяющей уменьшить расход теплоносителя;

· конденсация при постоянной температуре, что позволяет осуществлять стационарный (по температуре) технологический режим.

Горячая вода как теплоноситель имеет относительно высокий коэффициент теплоотдачи и применяется в основном для низкотемпературных процессов (например, для целей отопления). По сравнению с водяным паром горячая вода имеет более низкую температуру, максимальная величина которой лимитируется давлением воды (ограничивается температурой кипения, зависящей от давления).

Продукты горения топлива позволяют осуществлять нагрев технологического материала до любой температуры при малом давлении газов. К недостаткам продуктов горения топлива относится низкий коэффициент теплоотдачи, определяющий большие поверхности теплообмена (громоздкость аппарата), а также невозможность транспортировки газов на большие расстояния.

В качестве основного теплоносителя в теплоиспользующих установках используется пар и горячая вода. Источниками тепла в виде пара и горячей воды являются котельные агрегаты, в которых происходит преобразование химически связанной энергии топлива в тепловую энергию воды и пара. Эти котлы устанавливаются на теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), в промышленных и районных котельных.

Котельные агрегаты разделяются на 2 основных класса:

а) паровые котлы (парогенераторы) – для получения перегретого пара;

б) водогрейные котлы (теплогенераторы) – для получения горячей воды.

Паровой котел представляет собой систему трубчатых теплообменников, установленных в одном аппарате. Пар заданных параметров образуется из воды, поступающей в трубные поверхности нагрева котла. Нагрев воды и получение пара осуществляется за счет теплоты, выделяющейся при сжигании топлива в первой части парогенератора, называемой топочной камерой или топкой.

Процесс получения перегретого пара состоит из трех этапов. Сначала вода нагревается до температуры насыщения (кипения) в теплообменнике змеевикового типа, называемом водяным экономайзером. Затем в специальных испарительных поверхностях нагрева эта вода испаряется с образованием насыщенного пара, имеющего температуру кипения (насыщения) воды. Перегрев пара выше температуры насыщения осуществляется в пароперегревателе.

Таким образом, поверхностями нагрева парогенератора являются водяной экономайзер, испарительные поверхности и пароперегреватель, которые компонуются внутри корпуса котла. Ограждающие поверхности котла выполняются из огнеупорных материалов. В зоне высоких температур, т.е. в топочной камере обмуровка экранируется испарительными трубками для предотвращения их термического разрушения. Эти поверхности получили название топочных экранов.

По принципу организации движения рабочего тела (воды и пара) в поверхностях нагрева паровые котлы разделяются на:

а) прямоточные котлы;

б) циркуляционные котлы.

В прямоточных котлах рабочее тело последовательно проходит поверхности нагрева (рис.6), испаряется и перегревается за одно движение. Движение рабочего тела обусловлено работой питательного насоса НП. Испарительные поверхности такого котла выполняются ленточными из труб, проходящих по всему периметру топочной камеры.

ВЭ – водяной экономайзер, ИП – испарительные поверхности,

ПЕ – пароперегреватель, НП – питательный насос

1 – питательная вода, 2 – кипящая вода, 3 – насыщенный пар, 4 – перегретый пар

Рисунок 6 – Схема генерации пара в прямоточном котле

ВЭ – водяной экономайзер, ПЕ – пароперегреватель, Б – барабан котла,

НК – нижний коллектор, ТЭ – топочные экраны, ОТ – опускные трубы,

ВП – воздухоподогреватель, Г – горелочное устройство

1 – питательная вода, 2 – перегретый пар, 3 – холодный воздух, 4 – горячий воздух,

5 – топливо, 6 – уходящие газы, 7 – шлак, 8 – пылеунос

Рисунок 7 – Барабанный котел с естественной циркуляцией

Особенностью котлов с естественной циркуляцией является многократное прохождение рабочего тела через испарительные поверхности, которые включены в состав замкнутого испарительного контура «Б-ОТ-НК-ИП (ТЭ)» (рис.7).

В котлах с естественной циркуляцией движение рабочего тела внутри контура обусловлено различием плотности рабочего тела в трубах ОТ и ИП.

Из барабана котла вода, имеющая температуру кипения (насыщения), по нескольким необогреваемым опускным трубам ОТ (размещенных с внешней стороны топочной камеры) поступает в нижний коллектор (НК). Далее вода распределяется по трубам испарительных поверхностей нагрева (ИП), где происходит ее испарение и образуется пароводяная смесь. За одно движение рабочего тела внутри контура испаряется от 15 до 20 % воды.

Испарительные поверхности нагрева выполнены в виде вертикальных труб, выходящих из нижнего коллектора НК, и размещены внутри топочной камеры на стенах котла, образуя экраны. Пароводяная смесь, образовавшаяся в испарительных поверхностях, разделяется в барабане котла на воду и водяной пар. Вода по опускным трубам снова поступает в испарительные поверхности. Пар, имеющий температуру насыщения из барабана котла поступает в пароперегреватель, где нагревается до температуры 400-500^оС.

Топливо (5) вместе с горячим воздухом (4) подается в топочную камеру (топку) через горелочное устройство (Г). Воздух (3) подогревается в воздухоподогревателе (ВП), установленном в хвостовой части котла. Воздухоподогреватель понижает температуру уходящих газов и уменьшает потери тепла в атмосферу (повышает к.п.д. котла). Одновременно подогрев воздуха до 200-400^оС позволяет повысить температуру горения топлива в топочной камере.

Высокотемпературные продукты горения топлива (1700-1800^оС) отдают тепло испарительным поверхностям топочной камеры путем теплового излучения. Поэтому топки имеют большие размеры (большой объем). Эта часть котла называется радиационной.

По мере продвижения продуктов горения вверх они охлаждаются до температуры 700-900^оС и поступают в зону пароперегревателя. В зоне пароперегревателя тепло передается в основном конвекцией. Поэтому эта часть котла и последующие поверхности нагрева (водяной экономайзер и воздухоподогреватель) называется конвективной частью котла. Поверхности нагрева конвективной части котла выполняются змеевикового типа и размещаются внутри газоходов котла. В результате трубы пережимают сечение газохода, уменьшают проходное сечение для продуктов сгорания и движение газов ускоряется. Это ведет к усилению интенсивности конвективного теплообмена.

На выходе из котла продукты сгорания топлива (6) имеют температуру 180-240^оС. При сжигании твердого топлива минеральная его часть образует шлак (7), который удаляется из топочной камеры. Наименее мелкие частицы золы в виде пылеуноса (8) выбрасываются в атмосферу с уходящими газами.

Поверхности нагрева котла компонуются в виде букв П, Т, Г (П-образная компоновка котла, Т-образная, Г-образная).

Водогрейные котлы для получения горячей воды выполняются прямоточными и работают на жидком или газообразном топливе. Топочная камера экранирована трубами, в которых вода нагревается до температуры 150-200°С. Конвективные поверхности нагрева водогрейных котлов выполняются змеевикового типа.

Котельные установки, вырабатывающие пар и горячую воду устанавливаются на районных котельных (РК) и являются источниками тепла систем теплоснабжения. Одновременно паровые котлы устанавливаются и на тепловых электрических станциях, вырабатывающих электроэнергию и тепло.

Дата добавления: 2014-03-13; просмотров: 783; Нарушение авторских прав

Мы поможем в написании ваших работ!