автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Комплексное использование природного газа в теплоснабжении предприятий стекольной промышленности

На правах рукописи

КРУПИН ВЛАДИМИР АНАТОЛЬЕВИЧ

КОМПЛЕКСНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА В ТЕПЛОСНАБЖЕНИИ ПРЕДПРИЯТИЙ СТЕКОЛЬНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ

Специальность 05.23.03 - «Теплоснабжение, вентиляция, кондиционирование воздуха газоснабжение, освещение»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Ростов-на-Дону 2005

Работа выполнена в Ростовском государственном строительном университете.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Новгородский Евгений Евгеньевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Гапонов Владимир Лаврентьевич

кандидат технических наук Челбашов Дмитрий Владимирович

Ведущая организация: АО «ОЗОН»

Защита состоится « 26 » апреля 2005 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета КР 212.207.09 в Ростовском государственном строительном университете по адресу: 344022 г. Ростов-на-Дону, ул. Социалистическая, 162.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке РГСУ.

Автореферат разослан « 24 » марта 2005г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор технических наук, профессор

Страхова

Наталья Анатольевна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Новая энергетическая стратегия Российской Федерации первостепенное значение придает повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на всех стадиях - от производства до потребления.

В настоящее время 40-45% всех производственных энергоресурсов в нашей стране расходуется неэффективно. В условиях промышленного спада возрастает важность энергосбережения для преодоления экономического и энергетического кризиса. Повышенный уровень энергопотребления в России связан с несовершенством технологических процессов и теплоиспользующего оборудования. Это усугубляется ориентацией промышленности на выпуск полуфабрикатов и сырья. Рост доли энергоемких отраслей продолжается, что оказывает негативное влияние на развитие всей экономики страны. Поэтому энергосбережение является основным направлением развития экономики, энергетики и промышленности страны.

Специалисты Федеральной энергетической комиссии России (ФЭК) считают, что в ближайшие 20 лет промышленность может развиваться без увеличения потребления энергии при правильном экономическом и политическом подходах к решению этой задачи.

В стекольной промышленности с ее технологическими процессами, большей частью устаревшими и несоответствующими современному техническому уровню, имеются неограниченные возможности экономии энергии.

Современный этап развития стекольной промышленности, являющейся одной из энергоемких отраслей, характеризуется необходимостью разработки комплекса мер экономии ТЭР.

Снижение энергоемкости национального дохода требует не только изменения в производственном процессе, но и уменьшения непроизводственных расходов. В среднем по народному хозяйству более четверти потребления энергии идет на непроизводственные нужды, в первую очередь на теплоснабжение, вентиляцию и кондиционирование воздуха.

В данной работе эту задачу предлагается решать путем использования начального температурного потенциала продуктов сгорания природного газа,

выходящих из технологического агрегата, за счет нагрева различных сред в комплексных комбинированных установках.

Исследования проводились по программе гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук (подраздел «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения» 2000-2002 гг.) в соответствии с программами МНТП «Архитектура и строительство» в рамках тем: «Разработка комплексных энерготехнологических установок для предприятий по выпуску изделий из стекла» (1998-2000 гг.), «Эффективные схемы энергоснабжения зданий и сооружений» (2000-2002 гг.) и «Системы автономного энергоснабжения производственных зданий» (2002-2004 гг.), а также по программе «Разработка и реализация федерально-региональной политики в области науки и образования в рамках темы: «Критические технологии энергосбережения зданий и сооружений».

Целью работы является разработка методов совершенствования комплексных установок использования природного газа в теплоснабжении предприятий стекольной промышленности, обеспечивающих повышение их эффективности и охрану воздушного бассейна.

В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов и потенциальных потребителей тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности;

- сравнительный анализ эффективности различных схем утилизации теплоты;

- разработка классификации установок комплексного использования природного газа применительно к предприятиям стекольной промышленности;

- исследование потерь давления продуктов сгорания в теплообменниках установок комплексного использования теплоты (УКИТ) и определение энергосберегающего соотношения величин температур продуктов сгорания перед теплообменниками и характеристик их аэродинамического сопротивления при последовательном расположении теплообменников в тракте продуктов сгорания;

- исследование влияния дополнительного охлаждения продуктов сгорания в низкотемпературных теплообменниках на электропотребление дымососом;

- выбор конструкций теплообменников, предназначенных для установки в комплексных системах использования продуктов сгорания природного газа;

- сравнительный анализ применения газовых турбин и. газовых двигателей внутреннего сгорания в комплексных энерготехнологических установках;

- разработка энергоэффективных комплексных установок использования природного газа для технологических процессов, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха и обеспечивающих охрану окружающей среды;

- исследование работы комплексных установок в производственных условиях.

Основная идея работы состоит в использовании физико-химических свойств природного газа, позволяющих применить продукты его сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих устройств.

Научная новизна наиболее существенных результатов работы заключается в комплексном подходе к разработке методов и средств термодинамических и аэродинамических исследований комплексного энерготехнологического использования природного газа.

В результате теоретических, экспериментальных и производственных исследований решены следующие задачи:

- выполнен анализ состояния использования природного газа на предприятиях стекольной промышленности и определена возможность применения продуктов сгорания в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха;

- предложены новые способы совместной выработки тепловой и электрической энергии, адаптированные к тепловым источникам вторичных энергоресурсов и потребителям энергии на предприятиях стекольной промышленности;

- определены энергосберегающие соотношения величин температур продуктов сгорания перед теплообменниками и характеристики

аэродинамического сопротивления при последовательном расположении теплообменников в тракте продуктов сгорания;

- исследовано влияние дополнительного охлаждения продуктов сгорания в низкотемпературных теплообменниках на электропотребление дымососом;

- разработан способ использования низкопотенциальных ВЭР с применением тепловых насосов для совместной выработки теплоты и холода для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается корректным применением фундаментальных положений теории горения, тепломассообмена, аэродинамики, хорошей сходимостью данных аналитических и экспериментальных исследований (относительная погрешность 5-10 % при доверительной вероятности 0,95), положительными результатами промышленных испытаний созданных установок. Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении аналогичных задач.

Практическая значимость результатов работы заключается в следующем:

- разработан инженерный метод проектирования эффективных систем комплексного использования природного газа с учетом аэродинамических характеристик теплообменного оборудования;

- результаты работы позволяют повысить эффективность вновь разрабатываемых и реконструируемых установок комплексного энерготехнологического использования природного газа;

- разработаны комплексные установки для конкретных технологических процессов стекольной промышленности, в том числе с использованием низкопотенциальных тепловых ресурсов для целей теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования;

- результаты исследований включены в учебные курсы по энергосбережению в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха для студентов инженерно-строительных специальностей.

Реализация результатов работы. Научные положения, методология проектирования, материалы исследований, программы расчетов

применяются в исследовательской и проектной практике ряда организаций (Российский государственный университет нефти и газа им. И.М. Губкина, проектные институты АО «Озон», 0 0 0 «Проектпромвентиляция» и др.).

Результаты диссертационной работы использованы при проектировании стекольного завода АО «Ростовстекло» и цеха по производству стеклянной тары ОАО «Азовский комбинат детского питания».

Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсе «Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха» для специальности 290700 «Теплогазоснабжение и вентиляция».

На защиту выносятся следующие основные положения:

- способ использования теплоты продуктов сгорания природного газа для конкретных технологических процессов предприятий стекольной промышленности;

- метод проектирования эффективных систем комплексного использования природного газа с учетом аэродинамических характеристик теплообменного оборудования;

- комплексные энергосберегающие установки, обеспечивающие эффективность применения природного газа и способствующие охране окружающей среды.

Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях в Ростовском государственном строительном университете: «Строительство - 2000», «Строительство -2001», «Строительство - 2004», на международных конференциях «Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2001-2002 гг.), на международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» (РГАСХМ, Ростов-на-Дону, 2001 г.) на 5-й Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина, 2003 г.), на научных семинарах кафедр отопления, вентиляции и кондиционирования и теплогазоснабжения РГСУ, на технических советах проектного института АО «Озон» и ассоциации «Теплосистема».

Публикации. Всего по теме диссертации опубликовано 19 печатных

работ.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов и списка использованной литературы.

Диссертация изложена на 168 страницах, включает 39 рисунков и 17 таблиц.

Список используемой литературы состоит из 104 наименований источников отечественных и зарубежных авторов.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В специальной технической литературе рассматривается ряд проблем по применению вторичных тепловых энергетических ресурсов. Несмотря на большое количество исследований в этой области, остаются неразрешенными некоторые проблемы эффективного использования природного газа в промышленности.

Методом повышения эффективности применения топлива, учитывающим технологические характеристики и свойства природного газа, является метод комплексного энерготехнологического использования теплоты продуктов сгорания. Сущность его заключается в том, что продукты сгорания природного газа могут быть применены в качестве теплоносителя в установках различного температурного уровня: высоко-, средне- и низкотемпературных. Топливо при этом сжигается не в нескольких установках, а лишь в одной, работающей при максимальной температуре. Отводимые из высокотемпературного агрегата продукты сгорания последовательно проходят через ряд теплоиспользующих установок, работающих при более низких температурах. Одновременно уменьшается количество вредных выбросов, удаляемых в атмосферу. Таким образом, методы комплексного использования природного газа возможны при наличии потребителя теплоты высокого и низкого потенциалов. Наличие таких потребителей обусловлено характером технологического процесса предприятий по выпуску стеклянных изделий, широко использующих природный газ. Например, на указанных производствах выплавка стекла осуществляется при температурах 1500-1550 °С, подогрев шихты -до 750 °С, отжига стеклянных изделий - до 650 °С, сушка песка - при 180-220 °С. Таким образом, большинство технологических процессов осуществляется

при довольно высоких температурах. Поэтому для средне- и низкотемпературных ресурсов следует находить другие области применения, например, нагрев сжатого воздуха перед потребителями, системы отопления, горячего водоснабжения, вентиляции, кондиционирования воздуха и т.п.

В зарубежной практике выбор оборудования для каждой технологической операции ведется в значительной степени изолированно и только на последнем этапе проектирования все оборудование объединяется в единую технологическую схему. В этом случае можно добиться высокой экономичности отдельных агрегатов без использования больших возможностей повышения экономичности установки при рассмотрении технологической схемы в целом. Следствием этого является наличие ряда научно необоснованных, иногда противоречивых практических рекомендаций, затрудняющих проектирование и выявление перспективных направлений развития энергосберегающих методов применения природного газа.

В работе рассматриваются различные способы утилизации вторичных энергетических ресурсов, к которым относятся нагрев воздуха, подаваемого в топку на горение, ступенчатое использование теплоты продуктов сгорания в технологических агрегатах, нагрев сжатого воздуха, применение теплоты в установках отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, глубокое охлаждение продуктов сгорания контактным способом и в поверхностных конденсационных теплообменниках, использование теплоты для получения холода или повышения «ценности» теплоты, выработки электрической энергии. Комплексное применение этих способов может дать значительный экономический и экологический эффект, а в ряде случаев отказаться от традиционных энергоносителей для отдельных потребителей.

В зависимости от используемых способов утилизации теплоты продуктов сгорания природного газа в работе предложена классификация комплексных установок.

Выбор рациональной схемы комплексной установки и количество ступеней, использующих теплоту продуктов сгорания, определяются количеством продуктов сгорания и их теплосодержанием, потребностью технологических процессов, перепадом температур уходящих газов в отдельных ступенях установки, а также потребностями систем отопления,

горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Существенное влияние на выбор схемы оказывают режимы работы источника вторичных тепловых энергоресурсов и соответствующих потребителей теплоты продуктов сгорания. Чем продолжительнее и равномернее работает источник высокотемпературных продуктов сгорания и потребители утилизированной теплоты, тем проще осуществить энергосберегающие установки и тем эффективнее они работают.

Аккумулирование теплоты продуктов сгорания в установках, состоящих только из технологических агрегатов (непосредственным теплоносителем служат продукты сгорания), практически невозможно. Решается эта проблема применением теплообменников для нагрева вторичных теплоносителей, которые дают возможность аккумулировать теплоту.

Существующие системы комплексного использования теплоты недостаточно эффективно решают проблему применения теплоты для целей теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. Причиной этого факта является сезонность и неравномерность выхода и потребления теплоты. Кроме того, в установках комплексного использования природного газа обычно применяют традиционные системы отопления и вентиляции без значительных изменений, что отрицательно влияет на эффективность работы установки.

В теплый период отпадает необходимость в теплоутилизирующих устройствах систем отопления и вентиляции и высокотемпературные продукты сгорания удаляются в атмосферу. Эффективное решение этой проблемы требует нового подхода при проектировании установок комплексного использования природного газа с подключенными к ним системами теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха.

Важнейшим параметром работы УКИТ, во многом определяющим степень энергетической эффективности установки, является потребляемая ею электрическая мощность. Целевая функция УКИТ — утилизация тепловых ресурсов промышленных теплоиспользующих установок, для чего используется дополнительное по отношению к данным установкам оборудование - теплообменники, линии связи, вентиляторы, насосы и др. Очевидно, что организация процесса отбора теплоты от продуктов сгорания и ее утилизации требует не только дополнительных капитальных затрат, но и

влечет увеличение расхода электроэнергии. Электрическая мощность расходуется электродвигателями дымососов тракта продуктов сгорания, вентиляторами и насосами аэродинамических и гидравлических систем, сопряженных с данным трактом. Очевидно, что различные схемотехнические решения УКИТ, утилизирующей тепловые ресурсы от одной и той же промышленной теплоиспользующей установки, например стекловаренной печи, могут различаться не только капитальными затратами, но и уровнями потребляемой электрической мощности. Так, использование теплообменников с высоким аэродинамическим сопротивлением, дымососов, вентиляторов и насосов с низким кпд, не рациональная трассировка линий связи установок могут существенно повысить уровень потребления электроэнергии установкой, что, в конечном счете, снизит ее энергетическую эффективность.

Очевидно, что оптимизация технологических и экономических характеристик УКИТ может быть достигнута только в рамках системного подхода. При этом важнейшая роль в методологии постановки задач и способах их решения отводится методам системного анализа. Объясняется это тем, что УКИТ представляет собой совокупность различного по целевым функциям и техническим характеристикам оборудования, при этом технические характеристики отдельных элементов установки взаимосвязаны и взаимоопределяемы. В ряду основополагающих системных принципов важная роль принадлежит принципу целостности, сущность которого применительно к УКИТ сводится к тому, что свойства установки как целого не могут быть сведены к сумме свойств составляющих ее элементов -теплообменников, линий связи, дымососов, вентиляторов, насосов и другого теплового и аэродинамического оборудования и, что особенно важно, свойства установки как целого не могут быть выведены из совокупности свойств перечисленных выше элементов. Наличие данного системного принципа позволяет установить возможность выявления и последующего исследования интегральных свойств УКИТ.

Принцип целостности предопределяет влияние на интегральные свойства установки, в том числе и на энергопотребление, ее компоновочных решений - местоположения дымососов и вентиляторов в тракте продуктов сгорания и сопряженных с данным трактом теплоиспользующих аэродинамических систем, взаимного расположения дымососов и

теплообменников и др. Это обусловливает необходимость проведения исследований, связанных с поиском и реализацией энергоэффективных компоновочных решений установок, в том числе с решением задачи определения энергосберегающих компоновочных решений при последовательном размещении теплообменников в тракте продуктов сгорания установки.

Одна из задач, составляющая проблему оптимизации схемотехнического решения УКИТ, — выявление влияния характеристик теплообменных процессов, протекающих в теплообменных устройствах установки, на расход электроэнергии электродвигателем дымососа.

Характерной особенностью УКИТ предприятий по производству стеклянных изделий является то, что утилизация теплового потенциала продуктов сгорания осуществляется ступенчато, теплообменники устанавливаются в тракте продуктов сгорания установки последовательно и работают при разных значениях температур продуктов сгорания во входных патрубках теплообменников и различных температурных напорах теплообменивающихся сред. При этом температуры продуктов сгорания во входных патрубках теплообменников изменяются в пределах от 1100 до 150 °С. Очевидно, что столь широкий диапазон температур обусловливает необходимость использования в УКИТ различных по конструкции и принципу работы теплообменников с разными теплотехническими и аэродинамическими характеристиками.

В результате рассмотрения процесса изменения механической энергии потока в теплообменном канале, при отношении температурных напоров теплообменивающихся сред не более 2, установлено, что потери давления в теплообменнике могут быть представлены зависимостью

где соответственно температуры продуктов сгорания во входном и

выходном патрубках теплообменника.

Величины являются характеристиками аэродинамического

сопротивления соответственно участка от входного патрубка теплообменника до сечения с температурой продуктов сгорания, равной

и участка от сечения с температурой продуктов сгорания, равной до

выходного патрубка. Данные характеристики сопротивления отнесены к массовому расходу продуктов сгорания в теплообменнике и равны:

где Fex, Fmx, Fm - соответственно площади поперечного сечения входного и выходного патрубков;

£С Мех> ^^Лi ' соответственно суммы коэффициентов местных

сопротивлений в канале до и после поверхности теплообмена;

- коэффициент аэродинамического сопротивления канала,

отнесенный к единице его длины.

Зависимость (1) была использована при решении задачи определения энергосберегающих компоновочных решений по размещению теплообменников в тракте продуктов сгорания, (рис. 1).

Рис. 1. Скема участка тракта продуктов сгорания УКИТ, включающего дымосос и п теплообменников

В качестве исходных приняты следующие характеристики системы: режим стационарный; G = const; температуры продуктов сгорания на участках тракта заданы, плотность продуктов сгорания на участках

тракта не зависит от давления и является функцией только их температуры; потери давления продуктов сгорания в теплообменниках и линиях связи описываются квадратичным законом сопротивления; сумма характеристик аэродинамических сопротивлений теплообменников, установленных в тракте продуктов сгорания задана:

T,(kexi + kebixi) = const- (3)

В результате исследований установлено, что задача поиска сочетания аэродинамических и тепловых характеристик теплообменников, при которых система, представленная на рис.1, характеризуется минимальными

энергозатратами на транспортировку продуктов сгорания по тракту сводится к условию

п

Х/Рвж/ ^6X1 +^вЫХ1 ^вых/) ~ т'п • 1=1

(4)

Решение последней зависимости относится к проблематике раздела математики, изучающего сочетания и перестановки, и может быть найдено на основе использования методов дискретного анализа.

Для облегчения поиска решения задачи рассматриваемая система теплообменников была заменена эквивалентной по аэродинамическому сопротивлению системой, содержащей теплообменников, при этом каждый теплообменник, составляющий первоначальную систему, заменяется двумя последовательно расположенными теплообменниками, суммарное аэродинамическое сопротивление которых равно аэродинамическому сопротивлению базового теплообменника, (рис. 2).

Рис.2. Схема, эквивалентная по аэродинамическому сопротивлению схеме, представленной на рис. 1;

1, ¡, п - порядковые номера базовых теплообменников;

1,2,21-1,21,2п-1, 2п - порядковые номера теплообменников в

эквивалентной схеме.

После модификации базовой системы условие (4) принимает вид

Это позволило свести задачу поиска энергосберегающего компоновочного решения теплообменников к решению задачи минимизации суммы парных произведений членов двух последовательностей положительных чисел Искомое

расположение соответствует сопоставлению убывающей последовательности Т( и возрастающей последовательности :

На достижении данного расположения и достигается минимум.

Так как температуры продуктов сгорания на входе в теплообменники тракта представляют собой убывающую последовательность, то условию минимизации механической мощности, затрачиваемой на транспортировку продуктов сгорания по теплообменникам, соответствует положение, что характеристики аэродинамического сопротивления теплообменников должны представлять собой возрастающую последовательность, т. е. величины характеристик аэродинамического сопротивления теплообменников, установленных в тракте последовательно по ходу движения продуктов сгорания, должны увеличиваться по мере уменьшения их температуры. Из этого следует, что теплообменники, установленные на высокотемпературных участках тракта, должны характеризоваться минимальными значениями аэродинамического сопротивления и не должны содержать конструктивных элементов, интенсифицирующих теплообменные процессы за счет увеличения аэродинамического сопротивления теплообменников. В максимальной степени этому условию соответствуют гладкотрубные теплообменники типа «труба в трубе» и радиационные рекуператоры. В то же время в теплообменниках, расположенных на низкотемпературных участках тракта, допустимо использовать как оребренные поверхности, так и различные способы интенсификации теплообмена, в том числе посредством турбулизации потока.

Вторым направлением снижения расхода электроэнергии дымососами тракта продуктов сгорания природного газа является использование высокотемпературных продуктов сгорания в технологических установках производственного цикла изготовления стеклянных изделий и, в частности, в модифицированных печах отжига. Характерной особенностью данного технологического оборудования является минимальное значение скорости движения теплового агента в поперечном сечении теплообменного канала и как следствие малое значение интегральной характеристики аэродинамического сопротивления. Данный способ использования высокотемпературных продуктов сгорания отвечает не только технологическим требованиям, но и соответствует сформулированным выше положениям по экономии электроэнергии дымососами тракта продуктов сгорания.

В работе рассмотрены энергосберегающие аспекты модернизации УКИТ путем установки в тракте после существующих теплообменников дополнительных, утилизирующих теплоту низкотемпературных продуктов сгорания.

Исследовано потребление электроэнергии дымососом тракта, содержащего п последовательно расположенных теплообменников, (рис. 3).

Рис. 3. Схема тракта продуктов сгорания с я последовательно установленными теплообменниками:

1 - печь; 2 - первый теплообменник; 3 - дымосос; 4 - дымовая труба; 5- и-й теплообменник;

соответственно температуры продуктов сгорания до и после л-го теплообменника

В результате исследований получена зависимость, отражающая изменение величины механической мощности, необходимой для транспортировки продуктов сгорания по системе, при установке в тракте каждого последующего по ходу движения продуктов сгорания теплообменника

^пот (п) = Тп А^ярМ + А^я)

Мпот(п-Х) Тп-1 А^л-!

АГ„

(7)

где суммарные потери давления продуктов сгорания на всех

участках тракта, кроме п -го теплообменника;

потери давления в теплообменнике;

потери давления в тракте при установке в нем теплообменников.

При N < 1 установка в тракте каждого последующего теплообменника не приводит к увеличению механической мощности, потребной для транспортировки продуктов сгорания. Соответствующее соблюдению этого

условия значение аэродинамического сопротивления п-го теплообменника определяется следующей зависимостью:

(8)

Полученная зависимость позволяет определять пороговые значения аэродинамических сопротивлений теплообменников при их поочередной установке в тракте продуктов сгорания при модернизации установки.

Последние зависимости позволяют также сделать вывод о том, что принципиально возможно получение дополнительного энергосберегающего эффекта, связанного с сокращением расхода электроэнергии электродвигателем дымососа при установке в тракте дополнительных теплообменников. Необходимым условием этого является соблюдение последнего неравенства.

Результаты исследований интегральных характеристик потребления электроэнергии дымососом тракта продуктов сгорания, содержащего последовательно установленные теплообменники, использованы при разработке принципиальных схем УКИТ для предприятий по производству стеклянных изделий.

Используя теплоту продуктов сгорания от стекловаренных печей для технологических целей (нагрев шихты, отжиг изделий, сушка песка и т.п.), теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха, можно значительно повысить эффективность использования природного газа. Основным недостатком применения теплоты для целей отопления и вентиляции является неравномерность потребления тепловой энергии в течение суток и года. В летний период этот вид нагрузки практически отсутствует.

В работе предлагаются следующие способы достижения равновесия между выходом вторичных ресурсов и их потреблением:

- выравнивание небольших неравномерностей по времени и количеству аккумулирующими устройствами;

- увязка работы заводской котельной с выходом и потреблением энергетических ресурсов и генерированием тепловой энергии другими внешними источниками;

- применение теплоты уходящих газов для выработки холода тепловыми насосами для систем кондиционирования воздуха.

Усовершенствованные установки комплексного

энерготехнологического использования природного газа разработаны для ряда предприятий стекольной промышленности (Аксайский стекольный завод, ЗАО «Ростовстекло», стеклотарного завода Азовского комбината детского питания и др.).

Примером комбинированной схемы комплексного использования природного газа с одновременной выработкой тепловой и электрической энергии может служить установка, предложенная для ЗАО «Ростовстекло».

С учетом примененных нагрузок по расходу тепловой энергии, а также возможности улучшения аэродинамической характеристики установки на основе исследований, выполненных в диссертации, предлагается четырехступенчатая схема использования вторичных тепловых ресурсов (рис. 4).

Природный газ сжигается в газотурбинной установке /, служащей для привода электрогенератора 2. Продукты сгорания после турбины с температурой 450-500 °С и с большим содержанием кислорода (16-18 %) подаются в стекловаренную печь прямого нагрева 3, где дополнительно сжигается 950 м3/ч газа. Продукты сгорания заменяют воздух для сжигания газа в топке печи, что снижает расход топлива.

После стекловаренной печи уходящие газы с температурой 1150 °С направляются в инерционный пылеотделитель 4 для очистки от крупнозернистых механических примесей. Учитывая высокую температуру продуктов сгорания, пылеотделитель выполнен из специальных жаростойких материалов. Из пылеотделителя продукты сгорания с температурой 1050 °С (с учетом тепловых потерь в окружающую среду) поступают в комбинированный блочный теплообменник 5, который предназначен для нагрева воды в системе горячего водоснабжения (I ступень) до температуры 80 °С и воздуха в эжекционно-рекуперативной системе воздушного отопления, совмещенной с приточной вентиляцией (II ступень), до температуры 180 °С. При уменьшении тепловой нагрузки в системе воздушного отопления увеличивается расход теплоты на нагрев воды. Подача воздуха в систему воздушного отопления осуществляется вентилятором 7. После теплообменника 5 продукты сгорания с температурой

Рис. 4. Принципиальная схема комбинированной комплексной установки

700 °С направляются в печь отжига 8, а затем используются в пескосушильной установке 9. Температура уходящих газов на входе в сушильную установку 220 °С и 80 °С на выходе. После сушильной установки уходящие газы очищаются от пыли в циклоне 10 и дымососом 11 через дымовую трубу 12 удаляются в атмосферу.

Ожидаемый экономический эффект от внедрения комбинированной комплексной установка составит 686 тыс. р./год. Срок окупаемости дополнительных капитальных затрат - 2,6 года.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основе анализа технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов показана возможность использования продуктов сгорания природного газа в качестве теплоносителя в системах теплоснабжения предприятий стекольной промышленности.

2. С учетом возможных потребителей тепловых ВЭР предложена классификация схем комплексного использования природного газа применительно к предприятиям стекольной промышленности.

3. Исследованы особенности аэродинамических характеристик теплообменного оборудования комплексных систем и предложены способы снижения затрат электрической энергии на транспортировку продуктов сгорания.

4. Установлено, что характеристики аэродинамического сопротивления теплообменников, установленных в тракте последовательно по ходу движения продуктов сгорания должны увеличиваться по мере уменьшения их температуры.

5. Предложены комплексные автономные установки с совместной выработкой тепловой и электрической энергии для конкретных технологических процессов по производству стеклянных изделий.

6. Разработаны эффективные установки для использования низкопотенциальных тепловых ресурсов в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха.

7. Выполненные исследования опытно-промышленной установки комплексного энерготехнологического использования теплоты

продуктов сгорания природного газа подтвердили преимущество предложенного метода.

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ

1. Новгородский Е.Е., Крупин ВА, Шилов ВА., Василенко А.И. Определение оптимальной структуры комплексной энерготехнологической установки // Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив: Материалы Междунар. конф. - Ростов н/Д, 2000. - С. 51-55 (А - 30 %).

2. Новгородский Е.Е., Крупин ВА Использование природного газа на стекольных заводах // Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив: Материалы Междунар. конф. -Ростов н/Д, 2000. - С. 82-85 (А - 50 %).

3. Новгородский Е.Е., Крупин В.А. Перспектива внедрения комплексного использования газа в системах теплоснабжения предприятий по производству стекла // «Строительство-2001»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2001. - С. 89-91 (А - 50 %).

4. Новгородский Е.Е., Крупин ВА, Шилов В.В. Эффективное использование газа в промышленной энергетике // «Строительство-2001»: Материалы Междунар. науч.-практ. Конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2001. С. 105-106 (А-40%).

5. Новгородский Е.Е., Крупин В.А. Использование теплоты природного газа в установках отопления, вентиляции, горячего водоснабжения стекольных заводов // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз. сб. науч. тр. Вып. 5. - Ростов н/Д: РГАСХМ, 2001. - С. 72-74 (А - 50 %).

6. Крупин В.А., Новгородский Е.Е. Использование низкопотенциальных ресурсов для горячего водоснабжения стекольных заводов. // Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив: Материалы Междунар. конф. - Ростов н/Д, 2001.-С. 14-16 (А-60%).

7. Крупин В.А., Новгородский Е.Е. Возможности применения газовых турбин и двигателей на предприятиях стекольной промышленности. // Проблемы энергосбережения и экологии при использовании

углеводородных топлив: Материалы Междунар. конф. - Ростов н/Д, 2001.-С. 22-25 (А-60%).

8. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Широков В.А., Мишнер Й. Комбинированные схемы использования природного газа на стекольных заводах // Газовая промышленность. - 2001. -№10. - С. 5456 (А-30%).

9. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Мишнер Й. Эффективное использование газа на стекольных заводах // Нефть и газ Юга России: Материалы науч.-практ. конф. - Ростов н/Д: Южно-Российский экспоцентр, 2001. - С. 27-28 (А - 30 %).

10. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Широков В.А. Эффективное использование газа на промышленных предприятиях // Газовая промышленность. - 2002. - №4. - С. 66-68 (А - 40 %).

11. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Комплексное энергоснабжение предприятий стекольной промышленности // Известия высших

учебных заведений. «Строительство - 2002». - №5. - С. 80-83 (А - 50 %)

12. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Василенко А.И. Автономное энергоснабжение предприятий стекольной промышленности // Энергосбережение и охрана воздушного бассейна при использовании газа: Материалы Междунар. конф. - Ростов н/Д, 2002. - С. 18-22 (А -40%).

13. Крупин В.А. Сравнительная характеристика конструкций стекловаренных печей // «Строительство - 2002»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2002. - С. 120-121.

14. Крупин В.А., Новгородский Е.Е., Василенко А.И. Применение рекуператоров для стекловаренных печей прямого нагрева // «Строительство - 2002»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. -Ростов н/Д: РГСУ, 2002. - С. 122-124 (А - 40 %).

15. Крупин В.А., Шилов В.В., Слабодяник Е.А., Шаталов Н.С. Испытание опытно-промышленной установки стекольного производства // «Строительство - 2002»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. -Ростов н/Д: РГСУ, 2004. - С. 124-125 (А - 70 %).

16. Крупин В.А. Применение газовых турбин на предприятиях стекольной промышленности // «Строительство - 2004»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2004. - С. 176-177.

17. Крупин В.А. Повышение эффективности применения природного газа в ванных печах прямого нагрева // «Строительство - 2004»: Материалы Междунар. науч.-практ. конф. - Ростов н/Д: РГСУ, 2004. - С. 185-186.

18. Крупин В.А. Повышение эффективности использования природного газа в печах прямого нагрева стекольных заводов // Известия Ростовского государственного строительного университета. - 2004. -№8.-С. 276.

19. Крупин В.А., Новгородский Е.Е., Бирюков В.В. Особенности проектирования отопления зданий при автономном теплоснабжении // Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды: Межвуз. сб. научн. тр. Вып. 8. Ростов н/Д: РГАСХМ, 2004.

Подписано в печать 09.02.05.

Формат 60*84/16. Бумага писчая. Ризограф.

Уч. - изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 20

Редакционно-издательский центр

Ростовского государственного строительного университета. 344022, Ростов н/Д, ул. Социалистическая, 162

1096 3

Основные условные обозначения

Введение

1. Анализ использования природного газа в энергоснабжении предприятий стекольной промышленности

1.1. Общие положения энергопотребления в промышленности

1.2. Источники и потребители тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности

1.3. Выводы

2. Основные направления в разработке комплексного использования газа в энергоснабжении предприятий стекольной промышленности

2.1. Классификация схем комплексного энерготехнологического использования газа на предприятиях стекольной промышленности

2.2. Использование теплоты продуктов сгорания в агрегате -источнике ВЭР

2.3. Использование продуктов сгорания для нагрева сжатого воздуха

2.4. Применение энергосберегающего оборудования на основе тепловых труб

2.5. Применение продуктов сгорания для контактного нагрева воды

2.6. Использование конденсационных поверхностных теплообменников для нагрева воды

2.7. Применение автономных систем для энергоснабжения стекольных заводов

2.7.1. Сравнительная оценка применения газовых турбин, газовых и дизельных двигателей в комбинированных системах

2.8. Основные положения разработки систем комплексного использования теплоты и требования к ним

2.9. Анализ энергопотребления промышленными предприятиями

2.10. Анализ существующих установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания

2.11. Выводы

3. Исследование влияния аэродинамических характеристик теплообменного оборудования и схемотехнических решений УКИТ на электропотребление установок

3.1. Целевая функция УКИТ и принципы оптимизации энергопотребления установок

3.2. Исследование и разработка энергосберегающих схем размещения теплообменного оборудования в трактах продуктов сгорания установок

3.3. Снижение энергопотребления дымососами тракта продуктов сгорания при модернизации УКИТ *

3.4. Выводы

4. Разработка комплексных установок энергоснабжения предприятий

4.1. Установки комплексного использования теплоты продуктов сгорания

4.2. Установки комплексного использования теплоты с системами кондиционирования воздуха

4.3. Комбинированные системы использования природного газа

4.3.1. Комбинированная схема использования природного газа на стекольном заводе ЗАО «Ростовстекло»

4.3.2. Экономический эффект от внедрения комплексной энерготехнологической установки на стекольном заводе ЗАО

Ростовстекло»

4.4. Выводы 135 5. Исследование работы опытно-промышленной установки комплексного использования теплоты

5.1. Цели и.задачи исследования установки

5.2. Исследование и анализ работы радиационного рекуператора

5.3. Исследование работы печи отжига

5.4. Исследование работы барабанной сушильной установки

5.5. Определение коэффициента использования топлива в комплексной установке

5.6. Выводы 156 Заключение 157 Литература

ОСНОВНЫЕ УСЛОВНЫЕ.ОБОЗНАЧЕНИЯ dj - диаметр участка газохода, м;

Fi - площадь поперечного сечения газохода на участке, м2;

G, - массовый расход транспортируемой среды, кг/с; tjv - коэффициент полезного действия нагнетателя;

L,- - объемный расход транспортируемой среды на участке, м3/с;

Lv - объемная производительность нагнетателя, м3/с;

Х- длина участка воздуховода (газохода), м;

Лпот~ работа сил сопротивления движению потока, Дж;

Хтр - коэффициент гидравлического трения;

N - механическая мощность, сообщаемая потоку в дымососе, Вт;

N. механическая мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений движению потока на участке, Вт; N - механическая мощность, расходуемая на преодоление сопротивлений движению потока в системе, Вт;

Рп - полное давление транспортируемой среды, Па; Pv - полное давление транспортируемой среды, создаваемое дымососом, Па;

АР- потери давления транспортируемой среды в тракте, Па; % APi.(i+\y- потери давления транспортируемой среды на участке, Па; pi - плотность транспортируемой среды на участке, кг/м3; pv - плотность транспортируемой среды во всасывающем патрубке дымососа, кг/м ; Т - температура продуктов сгорания °С; со - скорость движения транспортируемой среды, м/с;

Актуальность работы. Настоящее время характеризуется большим потреблением энергетических ресурсов и его дальнейшим интенсивным ростом. Это объясняется процессом индустриализации, происходящей в большинстве стран мира. В результате быстрого роста энергопотребления образовалось напряженное положение в энергетике государств, особенно промышленных, которые не располагают природными запасами топлива или имеют его только в незначительном количестве. Но и в странах с большими собственными энергетическими ресурсами, как, например, в нашей стране, имеет место резкое увеличение затрат на добычу и производство топлива, поскольку месторождения полезных ископаемых часто находятся в отдаленных и трудно доступных районах со слаборазвитой инфраструктурой и с суровыми природно-климатическими районами.

Новая энергетическая стратегия Российской Федерации первостепенное значение придаёт повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов (ТЭР) на всех стадиях — от" производства до потребления.

В настоящее время 40-45% всех произведенных энергоресурсов в нашей стране расходуется неэффективно.

В условиях промышленного спада возрастает важность энергосбережения для преодоления экономического и энергетического кризиса. Повышенный уровень энергопотребления в России связан с несовершенством технологических процессов и теплоиспользующего оборудования. Это усугубляется ориентацией промышленности на выпуск полуфабрикатов и сырья. Доля производства энергоёмких продуктов незначительна. Рост доли энергоёмких отраслей продолжается, что оказывает негативное влияние на развитие всей экономики страны. Поэтому энергосбережение является основным направлением развития экономики, энергетики и промышленности страны.

В промышленности строительных материалов с ее многообразием технологических процессов, большей частью устаревших и несоответствующих современному техническому уровню, имеются неограниченные возможности экономии энергии.

Предприятия по выпуску строительных материалов являются одним из крупных потребителей природного газа. \ \

Исследования, выполненные в Ростовском государственном строительном университете, в Российском государственном университете нефти и газа им. И. М. Губкина, а также зарубежный опыт показывают, что стоимость энергии, полученной в результате внедрения энергосберегающих мероприятий, в 3-5 раз дешевле энергии от строительства новых установок аналогичной производительности [1].

Специалисты Федеральной энергетической комиссии России (ФЭК) считают, что в России в ближайшие 20 лет промышленность может развиваться без увеличения потребления энергии при правильном экономическом и политическом подходах к решению этой задачи.

Резервы Российской Федерации в области 'энергосбережения значительны. По различным оценкам потери от нерационального использования энергоресурсов за 1973-1995 годы составили от 500 до 700 млрд. долларов. В настоящее время по этой же причине Россия ежегодно теряет около 40 млрд. долларов.

В 1990-1995 годах энергоемкость возросла на 16-18%, значительно превысив уровень 1975 года. Начиная с 1995 года это положение, хотя и медленно, выправляется. Этому способствовали принятые законодательные и нормативные документы.

Потенциал энергосбережения в России составляет более 500 млн. т. условного топлива, в том числе в промышленности 159-160 млн. т.

В нашей стране расходуется в три и более раз больше первичных энергетических ресурсов в расчете на единицу национального дохода, чем в передовых капиталистических странах. Экономически целесообразно уже сейчас снижать объёмы добываемого топлива. Средства, сэкономленные на попытках увеличить или даже поддерживать достигнутый и нерационально высокий уровень добычи топлива, могут быть более эффективно вложены в энергосберегающие мероприятия.

В настоящее время значительно повысились цены на органические виды топлива, а также улучшилось соотношение цен, исходя из энергетической ценности каждого его вида.

В энергетике страны ставится задача неотложного решения проблем, связанных с повышением энергетической и экономической эффективности производства в рамках всего народного хозяйства. Необходимо добиваться того, чтобы прирост в топливе, энергии и материалах на 75-80 % удовлетворялся за счет их экономии.

Снижение энергоемкости национального дохода требует не только изменения в производственном процессе, но и уменьшения непроизводственных расходов. В среднем по народному хозяйству четверть потребления энергии идет на непроизводственные нужды, в первую очередь на отопление, вентиляцию и горячее водоснабжение. Необходимо отметить, что при современных технологиях часть производственных затрат расходуется на поддержание микроклимата в помещениях.

Современный этап развития стекольной промышленности, являющейся одной из энергоёмких отраслей, характеризуется необходимостью разработки комплекса мер по экономии топливно-энергетических ресурсов.

Особенно остро проблема экономии топлива возникла во время первого энергетического кризиса в 1973 г. В указанном году цена на тяжелое жидкое топливо, обычно используемое в то время для производства стеклянной тары в Европе, возросла на 300 % [2]. На стекольных заводах природный газ в наибольших объёмах потребляют стекловаренные печи. КПД при этом часто не превышает 20-40 %. Резкое увеличение цены ускорило общую тенденцию в направлении использования более эффективных стекловаренных печей. Суммарные значения потребления энергии на стекольных заводах включают также затраты на отопление каналов питателей стекловаренных печей, печей отжига, сушку песка, нагрева воды для технологических нужд, а также на отопление, вентиляцию, нагрев воды на хозяйственно-бытовые нужды. Энергетические затраты на варку стекла составляли в 1996 году примерно 75% суммарных затрат и эта доля в последующие годы увеличивалась. Особенно это характерно для производства белого стекла, при котором доля энергетических затрат на стекловаренные печи 20 лет назад была близка к 60% [2]. Эти тенденции показывают, что сбережение энергии за пределами печи даже относительно более эффективно по сравнению с экономией энергии в самом процессе варки стекла.

В настоящее время наиболее перспективным направлением экономии энергии является использование теплоты продуктов сгорания природного газа для различных целей, например, технологических нужд, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. К сожалению традиционные системы указанных потребителей не всегда позволяют рационально использовать теплоту продуктов сгорания.

Основным источником вторичных энергетических ресурсов на стекольных заводах являются ванные печи, в которых сжигается природный газ. Природный газ в ряде случаев не требует промежуточных теплоносителей. Это преимущество газа содержит в себе большие резервы экономического эффекта, так как позволяет создавать новые направления его использования. Универсальность природного газа как топлива обеспечивает ему широкое применение в автономных агрегатах для непосредственного нагрева изделий, отопительных установок и т. п. Продукты сгорания природного газа, которые можно рассматривать как высококачественный теплоноситель (в них, как правило, отсутствуют вредные примеси и твердые частицы), выбрасываются часто с высокой температуры (до 1000°С и выше) в атмосферу. Однако применение этих продуктов сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих установок могло бы дать существенный экономический эффект. Здесь под комплексом энергопотребляющих установок имеются в виду системы, в которых продукты сгорания последовательно направляются из высокотемпературного источника в средне- и низкотемпературные установки (технологическое оборудование, системы теплоснабжения, вентиляции и т. д.). Такие системы принято называть системами комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

Преимуществом системы комплексного использования теплоты является:

- при комплексном применении природного газа во многих случаях можно обеспечить ряд технологических потребностей, а также нужды систем отопления, горячего водоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха только за счет теплоты уходящих газов от теплотехнического оборудования;

- коэффициент использования топлива в комплексных системах может быть доведен до 90% и выше;

- применение комплексных установок способствует улучшению санитарно-технического состояния производственных помещений и охране воздушного бассейна (за счет сокращения выбросов продуктов сгорания);

- удельные капиталовложения в установки комплексного использования теплоты ниже, чем в добычу одной тонны условного топлива.

Комплексное использование теплоты продуктов сгорания предполагает взаимоувязку источников и потребителей теплоты продуктов сгорания по оптимальной схеме с учетом их расходов, температурных уровней, времени выхода и потребностей и типа энергоносителей. Одним из признаков комплексного использования теплоты является ступенчатое применение продуктов сгорания в разных узлах одной или нескольких термодинамических систем.

Элементами систем комплексного использования теплоты являются в основном теплообменники самых различных назначений, конструкций и размеров. Однако при их компоновке в комплексных установках очень часто применяются не самые целесообразные решения, возникают трудности при создании оптимальных систем. Ряд разработок в этой области характеризуется недостаточной степенью утилизации имеющихся энергоресурсов и нерациональным использованием теплоты. Это объясняется тем, что до настоящего времени не решен ряд теоретических и практических вопросов комплексного использования теплоты применительно к предприятиям стекольной промышленности. Кроме того, при проектировании теплоутилизирующих систем необходимо решить ряд вопросов охраны окружающей среды, которые сформулированы в «Проекте основных положений общеакадемической программы биосферных и экологических исследований на период до 2015 года» [3].

Большой интерес представляют установки комплексного использования газа с одновременной выработкой тепловой и электрической энергии. В таких установках природный газ сжигается в газовой турбине или двигателе внутреннего сгорания, служащих для привода электрогенераторов. Теплота выхлопных газов, имеющих высокую температуру, и нагретая вода системы охлаждения двигателей может быть использована для теплотехнических и санитарно-технических нужд.

Настоящая работа посвящается разработке методов комплексного энерготехнологического использования природного газа в системах теплоснабжения предприятий стекольной промышленности с учетом охраны воздушного бассейна при применении рекомендуемых систем.

Исследования проводились по программе гранта по фундаментальным исследованиям в области технических наук (подраздел «Проблемы создания, развития и эксплуатации систем жизнеобеспечения» (2000-2002 гг.)), в соответствии с программами МНТП «Архитектура и строительство» в рамках тем: «Разработка комплексных энерготехнологических установок для предприятий по выпуску изделий из стекла» (1998-2000г. г.), «Эффективные системы энергоснабжения зданий и сооружений» (2000-2002 гг.) и «Системы автономного энергоснабжения производственных зданий» (2002-2004 гг.), а также по программе «Разработка и реализация федерально-региональной политики в области науки и образования, в рамках темы: «Критические технологии энергосбережения зданий и сооружений».

Целью работы является разработка методов совершенствования комплексных установок использования природного газа в теплоснабжении предприятий стекольной промышленности, обеспечивающих повышение их эффективности, и охрану воздушного бассейна.

В соответствии с целью диссертационной работы были поставлены и решены следующие задачи:

- анализ технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов и потенциальных потребителей тепловой энергии на предприятиях стекольной промышленности;

- сравнительный анализ эффективности различных схем утилизации теплоты;

- разработки классификации установок комплексного использования природного газа применительно к предприятиям по выпуску стеклянных изделий;

- исследование потерь давления продуктов сгорания в теплообменниках установок комплексного использования теплоты (УКИТ) и определение энергосберегающего соотношения величин температур продуктов сгорания перед теплообменниками и их характеристик аэродинамического сопротивления при последовательном расположении теплообменников в тракте продуктов сгорания;

- исследование влияния дополнительного охлаждения продуктов сгорания в низкотемпературных теплообменниках на электропотребление дымососом;

- выбор конструкций конвективных теплообменников, предназначенных для установки в комплексных схемах использования продуктов сгорания природного газа;

- сравнительный анализ применения газовых турбин и газовых двигателей внутреннего сгорания в комплексных энерготехнологических установках;

- разработка энергоэффективных комплексных установок использования природного газа для технологических процессов, теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха и обеспечивающих охрану окружающей среды;

- исследования работы комплексных установок в производственных условиях;

Основная идея работы состоит в использовании физико-химических свойств природного газа, позволяющих применять продукты его сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих устройств.

Научная новизна наиболее существенных результатов работы заключается в комплексном подходе к разработке методов и средств термодинамических и аэродинамических исследований систем комплексного использования природного газа.

В результате теоретических, экспериментальных и производственных исследований решены следующие задачи:

- выполнен анализ состояния использования природного газа на предприятиях стекольной промышленности и определены возможности применения продуктов сгорания в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха;

- предложены новые схемотехнические решения совместной выработки тепловой и электрической энергии, адаптированные к тепловым источникам вторичных энергетических ресурсов и потребителям энергии на предприятиях стекольной промышленности;

- определены энергосберегающие соотношения величин температур продуктов сгорания перед теплообменниками установок комплексного использования теплоты и характеристики аэродинамического сопротивления при последовательном расположении теплообменников в тракте продуктов сгорания;

- исследовано влияние дополнительного охлаждения продуктов сгорания в низкотемпературных теплообменниках на электропотребление дымососом;

- показана возможность использования тепловых насосов с целью совместной выработки теплоты и холода для систем отопления, вентиляции и кондиционирования воздуха применительно к технологическим процессам стекольных заводов.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается корректным применением фундаментальных положений теории горения, тепломассообмена, аэродинамики, хорошей сходимости данных аналитических и экспериментальных исследований (относительная погрешность в пределах 5-10 % при доверительной вероятности 0,95), положительными результатами промышленных испытаний созданных установок. Принятые допущения не противоречат физике рассматриваемых процессов и являются общепринятыми при решении аналогичных задач.

Практическая значимость результатов работы:

- состоит в разработке инженерного метода расчета эффективных систем комплексного использования природного газа с учетом аэродинамических характеристик теплообменного оборудования;

- результаты работы позволяют повысить эффективность вновь разрабатываемых и реконструктируемых установок комплексного использования природного газа;

- разработаны установки для конкретных технологических процессов стекольной промышленности, в том числе с использованием низкопотенциальных тепловых ресурсов для целей теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха;

- результаты исследования включены в учебные курсы по энергосбережению в системах теплогазоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха для студентов инженерно-строительных специальностей.

Реализация результатов работы. Научные положения, методология проектирования, материалы исследований, программы расчетов используются в исследовательской и проектной практике ряда организаций (Российский государственный университет нефти и газа им. И. М. Губкина, проектные институты АО «Озон», ООО «Проектпромвентиляция» и др.).

Результаты диссертационной работы использованы при разработке проектов стекольных заводов АО Ростовстекло, цеха по производству стеклянной тары ОАО Азовского комбината детского питания.

Материалы диссертации используются в учебном процессе в курсе «Энергосбережения в системах теплоснабжения и вентиляции» для специальности 290700- «Теплоснабжение и вентиляция»

На защиту выносятся следующие основные положения:

- способ использования теплоты продуктов сгорания природного газа для конкретных технологических процессов производства изделий из стекла; i

- метод проектирования эффективных систем комплексного использования природного газа с учетом аэродинамических характеристик теплообменного оборудования;

- энергосберегающие установки комплексного использования природного газа, обеспечивающие эффективность его применения и способствующие охране воздушного бассейна. 0 '

Апробация диссертационной работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-практических конференциях . в Ростовском государственном строительном университете: «Строительство - 2000», «Строительство - 2001», «Строительство - 2002», «Строительство - 2004», на международных конференциях «Проблемы энергосбережения и экологии при использовании углеводородных топлив» (РГСУ, Ростов-на-Дону, 2001-2002 гг.), на международных научно-практических конференциях «Безопасность жизнедеятельности. Охрана труда и окружающей среды» (РГАСХМ, Ростов-на-Дону, 2001 г.), на 5-ой Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы состояния и развития нефтегазового комплекса России» (РГУ нефти и газа им. И. М. Губкина, 2003 г.), на научных семинарах кафедр «Отопления, вентиляции и кондиционирования» и «Теплогазоснабжения» РГСУ, на технических советах проектного института «Озон» и Ассоциации «Теплосистема».

Публикации: Всего опубликовано по теме диссертации 19 работ. •

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, списка использованной литературы.

5.6. Выводы

1. Выполненные исследования разработанной установки подтвердили преимущество комплексного энерготехнологического использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

2. Статистическая обработка данных испытаний с доверительной вероятностью 0,95 дает погрешность результатов исследований не более 10 %, и таким образом, подтверждает достоверность полученных результатов.

3. Применение метода комплексного энерготехнологического использования природного газа позволяет значительно повысить коэффициент использования топлива и довести его до 95 %. i

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа технологических источников вторичных тепловых энергетических ресурсов показана возможность использования продуктов сгорания природного газа в качестве теплоносителя в системах теплоснабжения предприятий стекольной промышленности. С учетом возможных потребителей тепловых ВЭР предложена классификация схем комплексного использования природного газа применительно к предприятиям стекольной промышленности.

Исследованы особенности аэродинамических характеристик теплообменного оборудования комплексных систем и предположены способы снижения затрат электрической энергии на транспортировку продуктов сгорания.

Установлено, что характеристики аэродинамического сопротивления теплообменников, установленных! в тракте последовательно по ходу движения продуктов сгорания, должны увеличиваться по мере уменьшения их температуры.

Предложены комплексные автономные установки с. совместной выработкой тепловой и электрической энергии для конкретных технологических процессов по производству стеклянных изделий. Разработаны эффективные установки для использования низкопотенциальных тепловых ресурсов в системах отопления, вентиляции, горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха.

Показана возможность уменьшения нагрузки на генерирование тепловой энергии, а на некоторых предприятиях можно полностью отказаться от работы котельной в теплый период, а теплоснабжение объектов осуществлять от комплексных установок.

Выполненные исследования опытно-промышленной установки комплексного энерготехнологического использования теплоты продуктов сгорания природного газа подтвердили преимущество предложенного метода. I

Работа в целом подтверждает возможность и целесообразность повышения эффективности использования продуктов сгорания, учитывающим характеристики и свойства природного газа.

1.российская госхдарствяннд^ 41биелиотша

2.' Новгородский Е. Е., Широков В. А., Шанин Б. В., Дятлов В. А. Комплексное энерготехнологическое использование газа и охрана воздушного бассейна. - М.: Дело, 1997. - 368 с.

3. Технические достижения в производстве тарного стекла. Журнал «Стеклянная тара», 1999, №1, с. 2-3.

4. Проект основных положений общеакадемической программы биосферных и экологических исследований на период до 2015 года. Вестник Академии наук СССР, 1988, №10.

5. Равич М.Б. Газ и эффективность его использования в народном ; хозяйстве. М.: Недра, 1987, - 238 с.

6. Киселев В. Н. Конструктивные особенности прямоточной стекловаренной печи. Журнал «Стеклянная тара», 1999, №1, с. 8-9.

7. Копытов В. Ф. Экономия топлива / Использование газа в народном хозяйстве. М.: ВНИИЭгазпром, 1983. Вып. 10 с. 21.

8. Меднокритский Е. Л. Экономия природного газа при применении современных рекуператоров.- М.: 1982. Реферативная информация. Серия «Использование газа в народном хозяйстве», Вып. 9.

9. Тебеньков Б. П. Рекуператоры для промышленных печей. — М.: Металлургия, 1968.-301 с.

10. Gheorghiu М., Zaza Gh. Vtill zazea combtasi inegrata resurselar energetice pripare si secundare in sectorial indastriel si cermici line. «Energetica», 1979, №6. - c. 249-254 «

11. Пенчев А., Преславский А., Тачев В. Ванна стеклароса «Питсбург» -источник вторичных энергоресурсов. / Строительные материалы и силикатная промышленность, 1979, №1. с. 23-27,32.

12. Пенчев А., Преславский А., Тачев В. «Питсбург» / Строительные материалы и силикатная промышленность, 1980, №4. — с. 21-23.

13. Новгородский Е. Е., Жуков Н. И., Дзюзер В. Я., Сафарян Б. Р. Повышение эффективности использования газа на Минераловодском стекольном заводе. Вопросы теплообмена в строительстве. Ростов-на-Дону: РИСИ, 1984. - с. 71-75.

14. Новгородский Е. Е., Жуков Н. И. Использование тепла продуктов сгорания природного газа на Аксайском стекольном заводе. Обеспыливание воздуха и микроклимат. Ростов-на-Дону: РИСИ, 1979. -с. 90-93.

15. Никифоров В. А., Курбанов А. 3., Шагинян И. Э. Разработка эффективных рекуперативных устройств. М.: Экспресс-информация. Серия «Транспорт, переработка и использование газа в народном хозяйстве», вып. 3, 1985.

16. Сезоненко Б. Д. Рекуператоры для промышленных печей. Серия «Использование газа в народном хозяйстве.М.: ВНИИЭгазпром, 1983, вып. 6 —41с.

17. Marnell С. J., Cawlowski Р. В. Perddiont rekuperator devepopments. Energy ' engineoring. 1981, Vol. 78, №2. - s. 7-16.

18. Лаженков Ю. В., Волков В. А., Тюрин А. И. и др. Высокотемпературный рекуператор в ванной печи прямого нагрева. Стекло и керамика, 1980, №11.-с. 17-19.

19. А. с. 1241025. Рекуператор / Сафарян Б. Р., Б. И., 1986, №24.

20. Сафарян Б. Р., Новгородский Е. Е., Пермяков Б. А. Радиационный рекуператор для одновременного нагрева нескольких сред. Информационный сборник. М.: Объединение «Машмир», 1991, вып. 11. -с. 1-3. '

21. Желтов В. Г., Головин В. С., Кутуков А. С. и др. Эффективность подогрева гранулированной шихты отходящими газами. Стекло и керамика, 1980, №9. с. 2-3.

22. Portion A., Bobleter A. Eour convectif de prechauffage de la composition, verriere sons forme de granuies a l'aride de fumees peraues. New Ways Save Energy Proc. Snt. Semin, Brussels, 1979, Dordrecht e. a., 1980. - c. 383-395.

23. Entwicklung und Esprobung eines Wazmeanusfauschers zur Vurheizung von Schweirgut «JGA-MAG», 1988, №4. с. 13-16.

24. Culter R. R., White D. A. Energy savings recovery in the glass industry. -. Proc. 12th, «Interso Energy Convers» Eng Conf. Washington, 1977. c. 505510.

25. Nucz J. A., Sturgill D. T. A wasteheat recovery boiler on glassmelting furnace. «Ceram. Eng. And Sci Proc.», 1980, №1-2. - c. 25-36.

26. Vom Soli zum Haben Strom dus Abwarme einer Clashutte «Beetriebstechnik», 1984, №9. s. 11.

27. Kiss G. Uvegipori hu toszalagok fustgazainok, hasrnositasa «Energiagardalkodas», 1980, №8. c. 355-357.

28. Ruckgewinnung und Verwertung von Prozebwarme in der Glasindustrie -. «Sprechsaal», 1984, №1. c. 1025-1026.

29. Гомон В. И., Ратушная А. И., Чернедкий В. Г., Хрипун А. Ф. Утилизация теплоты запыленных отходящих газов стекловаренных' печей. Стекло и керамика, 1989, №4. с. 3-5.

30. Пресич Г.А., Семенюк Л.Г., Аронов И.З., Петраускас Р.К., Иопушис А.В. Теплоутилизационная установка за стекловаренной печью. Промышленная энергетика, 1982, №2. с. 39-42.

31. Пресич Г. А., Семенюк Л. Г., Аронов И. 3., Петраускас Р. К., Иопушис А.

32. В. Опыт наладки теплоутилизационной установки газовой стекловаренной печи. Реферативный сборник «Использование газа внародном хозяйстве», ВНИИЭгазпром, 1980, вып. 8. с. 15-21.i

33. Моисеев В. П., Пресич Г. А., Аронов И. 3. и др. Промышленная энергетика, 1983, №8. с. 23-25.

34. Равич М.Б. Топливо и эффективность его использования. М.: Изд-во «Наука», 1971,-с. 310-317.i

35. Stege Н. Vezfarhren zur Tracknung, Kuhlung und pneumatischen Reinigung von Quarzsand in der Wirbelschicht «Energilanwendung», 1984, №1. - c. 19-21.

36. Сафарян Б. P. Комплексно-ступенчатое использование природного газа. Жилищно-коммунальное хозяйство, 1987, №12. с. 41-42.

37. Равич М. Б. Экономия газа в промышленной энергетике. М.: ВИНИТИ, 1982.-160с.

38. Гинзбург Д. Б. Стекловаренные печи. М.: Стройиздат, 1979. 340 с.

39. Allen С. Н. An energy survey in the glass industry. «Geram Eng. and Sci Proc.», 1981, №1-2. -c. 88-94.

40. Schubert P. Energiewirtschaft und Energieweteilung in einer leineren Hahlglashutte mit Eigen stromerzengung «Glastechn. Ber.», 1979, №10. - s. 203-210.

41. Edgington J. H. Energy saving in the container production process, now and in the future. «Glass», 1979, №3. c. 6-9.

42. Патент ФРГ. С 03 В 1/010, №2905089.

43. Engelhorn Н. R., Ezfahrungen bei der Ahlarmentzung mit. ORC-Anlagen-Brennst-Warne-Kraft, 1988, №9. s. 334-338.

44. Csehi Yozef, Szocs • Mihaly, Nemeth Istvar, Banhidi Andor. Energiamegtakaritas fustgaz hohasznosito. Eneriagazdolkodas, 1989, №10. s. 447-450.

45. Строительство, 2002, №5 (521). с. 80-83.

46. Тертышников С. А. Использование теплового потенциала дымовых газов, отходящих из циклонного стекловаренного агрегата // Исследования по рациональному использованию сырьевых и топливно

47. Ф энергетических ресурсов в стекольной промышленности. М., 1984 . с.85.92.

48. Cardarelli G. Sistemi di scambiatori oi colore per il ricparmio energetico impostazione di und metodologiali offimizione. «XL Congr. naz Trieste», s. a. IV/139 IV/151.

49. Колобков П. С. использование тепловых вторичных энергоресурсов в теплоснабжении. Харьков: «Основа», 1991.-222 с.

50. Amberg H.-U., Koster G. Verschidene Verfahren zur Warmeruckgewinnung• . aus der Fortluft. HLH, 1987, №10 - s. 389-393.• 61. Мезенцев А. П. Эффективность применения утилизаторов теплоты вогнетехнических агрегатах. JL: Недра, 1987. - 127с.

51. Buedeter G. Warmeruckgewinnung in Bercich der Warmebehandlung und Formegebungfin Jahrbuch der Warmeruckgewinnung. S. Ausgabe Essen: Vulkan Verlag, 1987. - 265 s.

52. Карпис E. E. Утилизация производственных тепловых энергоресурсов на• цели отопления, вентиляции'и горячего водоснабжения. М.: ВНИЦИС, 1988.-25 с.

53. Loewer Н. Absorbtionswarmepumper. Korlsruhe: Verlag С. F. Muller Gmbh, 1987.-222 s.

54. Хайприх Г., Найорк X., Нестлер В. Теплонасосные установки дляiотопления и горячего водоснабжения. М.: Стройиздат, 1985. - 351 с.

55. Malewski W., Kriterien fur den Einsatz von Absorbtionswarmepumpen.• Korlsruhe: Verlag C. F. Muller Gmbh, 1987. 222 s.

56. Новгородский E. E. Установки отопления, вентиляции и кондиционирования в системах комплексного использования тепла. / Оптимизация работы систем отопления и вентиляции. Куйбышев: Куйбышевский государственный университет, 1986.-е. 129-132.

57. Vom soil zum Haber. Strom uus Abwame einen Glashutte. Bethiebstechnik, 1984, №9.-s. 2-3.i

58. Elsasser R. F., Maier W. Profitables potential. // Energie 1984. - №11. - s. &. ' 17-28.

59. Уваров С. Н. Авиационные газотурбинные двигатели в энергетике. JL:1. Энергия», 1971. с. 79.

60. Равич М.Б. Упрощенная методика теплотехнических расчетов. М.: Изд-во «Наука», 1964. 367 с.

61. Розенфельд Э.И. Повышение эффективности использования газообразного и жидкого топлива. М.: ВИНИТИ, 1986. 127 с.

62. God Chr., Ebner-Brunner F. Untersuchungen eines Rekunerator brenners furden Einsatz in gasbeheizten Warm und Warmebehandlungsofen. «Gas Warme Int.», 1984, (33), № 2-3. s. 66-76.

63. Карабин А.И. Сжатый воздух. M.: Машиностроение, 1964. 343 с.

64. Эффективное энергосберегающее оборудование на основе тепловых • труб. Официальный сайт НПП «РИКС» www cenef.kiev.ua.

65. Рихтерова В. Повышение КПД трубчатых печей. Промэнергетика, 1981,3.-с. 33-41.

66. Соснин Ю.П., Бухарнин Е.Н. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели. М.: Стройиздат, 1988. 376 с.

67. Утилизация низкопотенциальных тепловых вторичных энергоресурсов на химических предприятиях / Григорьев В.Г., Нейман В.К., Чураков С.Д. и др./ М.: Химия, 1987. - с. 98-111.

68. Аронов И.З. Контактный нагрев вбды продуктами сгорания природного газа. - 2-е изд. - Л.: Недра, 1990. - 280с.щ 83. New look at total energy «Petrol Press serv», 1988, (35) №5 s. 170-173.

69. Новгородский Е.Е., Крупин В.А., Широков В.А., Й. Мишнер Комбинированные схемы использования природного газа на стекольныхзаводах. Газовая промышленность, 2001, №10. с. 54-56.

70. Автономное энергосбережение на примере газопоршневых мини-ТЭЦ. Официальный сайт Государственного комитета Украины по энергосбережению http://necin.com.

71. Аракелов В.Е. Комплексная оптимизация энергоустановок промышленных предприятий. М.: Энергоатомиздат, 1984. 80 с.

72. Ключников А.Д. Энергетика теплотехнологии и вопросы энергосбережения. М.: Энергоатомиздат, 1986. 128 с.

73. Ключников А.Д. Высокотемпературные технологические процессы и ' установки. М.: Энергоатомиздат, 1989. 336 с.

74. Василенко А.И., Новгородский Е.Е. Метод анализа энергетических характеристик отопительно-вентиляционных систем // Известия высших учебных заведений. Строительство. 2003, № 9. С. 105-109.

75. Вукалович М.П., Новиков И.И. Термодинамика. М.: Машиностроение, 1972.-672 с.

76. Вулис Л.А. Термодинамика газовых потоков. М.: Энергоиздат, 1950. -237 с.

77. Фабрикант Н.Я. Аэродинамика, ч.' 1. M.-JL: Гос. изд. техн.-теор. лит., • 1949.-624 с.

78. Исаченко B.JI., Осипова В.А., Сукомел А.С. Теплопередача. М.: Энергоиздат, 1981. - 416 с.

79. Кутателадзе С.С. Теплопередача и гидродинамическое сопротивление. Справочное пособие. М.: Энергоатомиздат, 1990. - 367 с.

80. Ромадановский И.В. Дискретный анализ. СПб.: Невский Диалект, БХВ-Петербург, 2003. - 320 с.

81. Новгородский Е.Е., Пермяков Б.А., Сафарян Б.Р. Многоступенчатый теплообменник для систем комплексного использования теплоты.

82. Информационный сборник. М.: «Машмир», 1991, вып. 12. с. 8-11.

83. Преображенский Н. И. Контроль за рациональным использованием газа. -Л.: Недра, 1983, с. 368.

84. Брук Ю. Г., Неймарк JI. А. Испытание и наладка промышленных- печей на газовом топливе. Д.: Недра, 1981, с. 176.

85. Коростелов П. П. Лабораторная техника химического анализа. М.: 1981.-312с. '

86. Другов Ю. С., Березкин В. Г. Газохроматографический анализ загрязненного воздуха. М.: Химия, 1981, с. 256

87. Внуков А.К. Экспериментальные работы на парогенераторах. М.: Энергия, 1971.-296 с.

88. Гордюхин А. И., Гордюхин Ю. А. Измерение расхода и количества газа и его учет. Л.: Недра, 1987. - 209 с.

89. Методические указания. Расход жидкостей и газа. Методика выполнения измерений с помощью специальных сужающих устройств. РД-50-411.83. М.: Издат стандартов,; 1984, с. 52.