автореферат диссертации по строительству, 05.23.03, диссертация на тему:Комплексное использование теплоты продуктов сгорания природного газа в теплоснабжении предприятий по производству строительной керамики

УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ И СПОСОБОВ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ СТРОИТЕЛЬНОЙ ИНДУСТРИИ

1.1. Использование тепловых энергетических ресурсов в промышленности строительных материалов

1.1.2. Использование теплоты продуктов сгорания природного газа для предварительного подогрева исходных материалов, подаваемых в печи

1.1.3. Применение теплоты продуктов сгорания для подогрева воды, выработки пара и нагрева воздуха на технологические нужды.

1.1.4. Комплексно-ступенчатое использование теплоты продуктов сгорания природного газа в промышленных установках различного температурного потенциала

1.2. Анализ и классификация принципиальных схем использования теплоты продуктов сгорания природного газа

1.3. Задачи диссертационного исследования

2. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ

2.1. Обоснование выбора метода исследования

2.2. Анализ тепловых процессов в технологической установке по производству кирпича Батайского завода строительных материалов

2.2.1. Анализ технологической схемы, предусмотренной проектом

2.2.2. Схема комплексного использования теплоты на

Батайском заводе строительных материалов.

2.3. Анализ тепловых процессов в технологической установке кирпичного завода «София».

2.3.1. Анализ существующей схемы.

2.3.2. Рекомендуемая схема комплексного использования теплоты

2.4. ВЫВОДЫ

3. ОПТИМИЗАЦИЯ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЛИНИЙ СВЯЗИ УСТАНОВОК КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ

3.1. Сравнительный анализ методов оптимизации линий связи установок комплексного использования теплоты

3.2. Модификации выражений определяющих коэффициент гидравлического трения применительно к условиям работы линий связи установок комплексного использования теплоты

3.3 Теоретические обоснования методики определения оптимального диаметра и толщины изоляции линий связи

3.4 Методика расчета оптимальных значений диаметра и толщины изоляционного слоя газохода

3.5 ВЫВОДЫ.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ УСТАНОВКИ КОМПЛЕКСНОГО ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ В ПРОМЫШЛЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

4.1. Цель и задачи исследования

4.2. Методика измерений.

4.2.1. Определение расхода природного газа.

4.2.2. Измерение параметров продуктов сгорания природного газа и горячего воздуха

4.2.3. Измерение параметров нагреваемой среды (воды)

4.3. Методика проведения исследований

4.4. Обработка экспериментальных данных

4.5. Результаты исследования работы установки комплексного использования теплоты

4.6. ВЫВОДЫ

Наше время характеризуется большим потреблением энергетических ресурсов и его дальнейшим интенсивным ростом. Это объясняется процессом индустриализации, происходящим 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 труднодоступных районах.

Экономия топливно-энергетических ресурсов и охрана окружающей среды - две важнейшие задачи, решению которых во всем мире уделяется большое внимание.

На XIV Мировой энергетической конференции в Монреале отмечалось, что в последние годы наметился рост энергопотребления по сравнению со средними темпами 80-х годов. Темпы роста потребления топлива до 2020 г. оцениваются в 1,2 - 1,6% в год [1] и значительно опережают темпы прироста первичной энергии. По расчетам специалистов, мировое потребление энергии с 1986 по 2030 г. увеличится втрое. При этом существенно обостряется проблема изменения климата на планете.

Экономика и экология тесно связаны между собой, и в настоящее время практически нет людей, которых не волновали бы прямо или косвенно эти науки, от состояния которых во многом зависит жизнь современных и будущих поколений на Земле [2].

Энергосберегающая политика имеет два основных направления: межотраслевые сдвиги в структуре народного хозяйства в сторону снижения удельного веса энергоемких производств и внедрение энергосберегающих технологий [3]. Эта политика способствует значительному сокращению выбросов вредных веществ в атмосферу, что позволяет несколько улучшить экологическую ситуацию.

В нашей стране затраты по топливно-энергетическому комплексу составляли более 15% валовых капиталовложений в народное хозяйство [4]. Больше половины всего добываемого топлива и около 70% вырабатываемой электроэнергии потреблялось в промышленности [5].

В «Основных направлениях энергетической политики Российской Федерации на период до 2010 года», утвержденных Указом Президента Российской Федерации от 7 мая 1995 г. № 472 [6], указывается, что энергетическая политика Российской Федерации исходит из следующих приоритетов и структурных изменений:

- повышение эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и создание необходимых условий для перевода экономики страны на энергосберегающий путь развития;

- реализация потенциала энергосбережения за счет создания и внедрения высокоэффективного топливо - и энергопотребляющего оборудования, теплоизоляционных материалов и строительных конструкций.

В области энергосберегающих технологий имеются крупные резервы, т. к. наряду с установками, работающими с коэффициентом полезного действия 90% и выше, действует большое количество промышленных печей и сушил с низким КПД, не превышающим 30% [7].Эффективность использования теплоты в этих агрегатах можно существенно повысить, причем капиталовложений для этого требуется существенно меньше в сравнении с необходимыми для добычи эквивалентного количества топлива. Отечественный и зарубежный опыт показывает, что энергия, сэкономленная в результате реконструкции, в 3 - 5 раз дешевле энергии, получаемой при строительстве новых установок аналогичной производительности.

Экономически целесообразно уже сейчас снижение объемов добычи топлива. Средства, сэкономленные на попытках увеличить или даже поддерживать достигнутый и нерационально высокий уровень добычи топлива, могут быть более эффективно вложены в энергосберегающие мероприятия.

Снижение энергоемкости национального дохода требует не только изменения производственного процесса, но и уменьшение непроизводственных потерь. В среднем по народному хозяйству четверть потребляемой энергии расходуется на непроизводственные нужды, в первую очередь на отопление и вентиляцию.

В настоящее время наиболее перспективным направлением экономии энергии является использование теплоты продуктов сгорания природного газа для различных целей, например технологических нужд, теплоснабжения, вентиляции и др.

Значительными источниками вторичных энергетических ресурсов являются промышленные печи, в которых сжигается природный газ. Продукты сгорания природного газа, которые можно рассматривать как высококачественный теплоноситель (в них, как правило, отсутствуют вредные примеси и твердые частицы), выбрасываются часто с высокой температурой (400°С и выше) в атмосферу. Однако применение этих продуктов сгорания в качестве теплоносителя в комплексе энергопотребляющих установок могло бы дать существенный экономический эффект. Под комплексом энергопотребляющих установок имеются в виду системы, в которых продукты сгорания последовательно направляются их высокотемпературного источника в средне - и низкотемпературные установки (технологическое оборудование, системы теплоснабжения, вентиляции и т. п.). Такие системы принято называть системами комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

Промышленность строительных материалов является одним из крупных потребителей природного газа. Предприятия этой отрасли имеют весьма разнообразную структуру потребления энергии ввиду разнообразия выпускаемых материалов и изделий. Наличие на таких предприятиях технологического оборудования с различным температурным режимом открывает возможность широкого применения метода комплексного (ступенчатого) использования теплоты продуктов сгорания.

При создании теплоиспользующих систем необходимо решать ряд вопросов охраны окружающей среды, которые сформулированы в Проекте основных положений общеакадемической программы биосферных и экологических исследований на период до 2017 г. [8]. Методы повышения эффективности использования природного газа необходимо рассматривать в связи с мероприятиями по охране воздушного бассейна от загрязнения.

Цель диссертационной работы заключается в разработке систем комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа от технологического оборудования для целей технологии и теплоснабжения на предприятиях по производству строительной керамики.

Научная новизна работы:

1. Разработан способ теплотехнического анализа тепловых процессов, протекающих при производстве кирпича, позволяющий выявить количественные и качественные показатели имеющихся энергетических резервов с целью дальнейшего их использования.

2. Получена аналитическая зависимость, отображающая условие оптимальности аэродинамического и теплового расчета газоходов установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

3. Разработана методика оптимизации линий связи, учитывающая изменение коэффициента гидравлического трения при вариации диаметра газохода.

Практическая ценность:

1. Разработаны схемы комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа для целей технологии и теплоснабжения на предприятиях по производству кирпича.

2. Разработана методика расчета основных параметров линий связи установок комплексного использования теплоты, позволяющая конструировать их с минимальными приведенными затратами.

Реализация результатов работы:

1. Внедрена схема комплексного использования теплоты продуктов сгорания на Батайском заводе строительных материалов «Масипс» (Ростовская область) в цехе по производству кирпича. Экономия топлива составила 0,07 т у.т./ЮОО шт. кирпича. Количество отработанных газов, удаляемых в атмосферу, уменьшилось на 55% в сравнении с первоначальным (проектным) вариантом.

2. Предложена к внедрению схема комплексного использования теплоты продуктов сгорания для целей теплоснабжения на кирпичном заводе «София» (Ростов н/Д). Предполагаемая экономия топлива составит 0,002 т у.т./ЮОО шт. кирпича.

3. Результаты диссертационной работы используются в РГСУ на кафедре отопления, вентиляции и кондиционирования в спецкурсе «Энергосбережение» при анализе эффективности применения природного газа в технологических установках.

На защиту выносится:

1. Результаты графоаналитического анализа тепловых процессов, протекающих при производстве кирпича.

2. Предложенные схемы комплексного использования теплоты дымовых газов, уходящих от технологических источников.

3. Аналитическая зависимость, отображающая условие оптимальности аэродинамического и теплового расчета газоходов установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания природного газа.

4. Методика оптимизации линий связи установок комплексного использования теплоты.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях Ростовской государственной академии строительства (Ростов н/Д, 1994, 1995, 1996 гг.); международной конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии строительных материалов, изделий и конструкций» Белгородской государственной технологической академии строительных материалов (Белгород, 1995 г.); международном научно-практическом семинаре «Рациональное использование природного газа в системах отопления, вентиляции и охрана воздушного бассейна» Ростовского государственного строительного университета (Ростов н/Д, 1997 г.); научном семинаре кафедры промышленной экологии Государственной академии нефти и газа имени И.М. Губкина (Москва, 1997 г.); международных научно-практических конференциях Ростовского государственного строительного университета (Ростов н/Д, 1997, 1998 гг.).

Результаты исследований опубликованы в девяти печатных работах.

Исследования выполнялись в соответствии с программой МНТП «Архитектура и строительство» в рамках темы «Комплексное использование теплоты продуктов сгорания природного газа в системах жизнеобеспечения зданий и сооружений», научно-исследовательской работой по конкурсу грантов 1997 - 1998 гг. «Разработка теоретических основ проектирования комплексного использования газа», федеральной программой «Энергосбережение и охрана воздушного бассейна в промышленности строительных материалов», в рамках научно-исследовательской работы «Вузовская наука региона 1997 - 2000 гг.» региональной программы Ростовской области «Новые технологии и технические средства для развития социальной сферы производства Ростовской области».

1. Задачи диссертационного исследования

2. Выбор метода исследования рабочих процессов установок комплексного использования теплоты.

3. Определение принципиальной схемы использования теплоты продуктов сгорания природного газа в технологических установках.

4. Исследование процессов транспортирования газов и оптимизация основных параметров коммуникационных связей.

5. Разработка и исследование установок комплексного использования теплоты по производству кирпича на заводах строительных материалов.

6. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ СХЕМ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ТЕПЛОТЫ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ПРИРОДНОГО ГАЗА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ ПО ПРОИЗВОДСТВУ СТРОИТЕЛЬНОЙ КЕРАМИКИ

7. В анализируемой системе энергетические превращения, изучаемые посредством второго начала термодинамики, должны занимать существенное место.

8. Оценка и сопоставление энергетических ресурсов различных видов.

9. Определение степени термодинамического совершенства технической системы и любых ее частей, а также и факторов, определяющих ее.

10. Определение принципиальной возможности осуществления нового процесса или создания агрегата любой сложности без его внутреннего анализа.

11. Технико-экономическая оптимизация параметров установок и их частей, определение наиболее выгодных условий их работы.

12. Распределение затрат топлива и энергии между продуктами в комплексных производствах. Подсчет и сопоставление удельных расходов топлива и энергии.

13. Оценка качества и технического уровня оборудования по энергетическим, массовым и другим удельным характеристикам.

14. Построение рядов систем и оборудования, обоснование и разработка норм удельного расхода энергии и материалов.