автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.11, диссертация на тему:Разработка эффективной энерготехнологической системы с получением электрической и тепловой энергии за счет теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей

РГБ ОД 1 7 Ш

На правах рукописи УДК 666.1.022 + 666.1.031

Матвеев Виктор Александрович

РАЗРАБОТКА эффективной энерготехнологической системы с получением электрической и тепловой энергии за счет теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей.

05 17.11. - Технология силикатных и т опланких псмспш-личсских материал он.

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандида та технических наук

МОСК11А - 1995

Работа выполнена н АО '"Институт стекла"

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник И.С.Ильяшснко.

Официальные оппоненты: доктор технических, наук,

профессор Н.А.Панкина;

коидидач 'технических паук, старший научный сотрудник А.И.Севастьянов,

Ведущее предприятие. АО "Гинросчскло"

Защита состоится 11 мая 1995 i. в 11 час. па заседании диссертационного совета к. 111.02.01 в АО "Институт стекла" (111112, г. Москва, Е-112, ул. Душинская ,7).

С диссертацией можно ознакомиться н библиотеке АО "Институт стекла"

■ Автореферат разослан 10 апреля 1 995т.

Ученый секретарь

диссертационного совета к. 111.02.01

кандидат технических паук Н.М.Щекотихина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Одним из основных направлений со-. всршспствования с']'руктур]>| топливно - энергетического баланса (ТЭБ) стеклозаводов РФ и повышения эффективности энергии технологического топлива в производстве стекла является дальнейшее повышение степени использования вторичных энергетических ресурсов (ВЭР) стекловаренных печей.

Важное значение в настоящее время приобретает комплексный подход к энерготехнологическому использованию источников вторичных энсргоресурсов с обеспечением экономии топлива в его технологическом потреблении, а также увеличению доли покрытия потребности предприятий стекольной промышленности в тепловой и электрической энергии за счет вторичных тепловых ресурсов (без прямых затрат топлива) и улучшения экологической обстановки окружающей среды. Возможная доля покрытия потребления стеклозаводами только тепловой или только электрической энергии за счет использования ВЭР стекловаренных печей может достигнуть соответственно 100% и 35%. Таким образом, использование ВЭР стекловаренных печей является актуальной задачей, тем более что в настоящее время покрытие в производстве тепловой энергии стекольной отраслью Российской Федерации составляет только 6% при аналогичном показателе по РФ в производстве черных металлов - 80% и цветных металлов - 35%. Необходимо также отмстить, что в связи с расширением в РФ производства полированного листового стекла в ТЭБ стеклозавода увеличивается доля потребления электроэнергии и требования к надежности се поступления, э то также повышает актуальность выработки собственной электроэнергии за счет ВЭР стекловаренных печей.

Рост цеп на энергоносители в настоящее время повышас'1 заинтересованность'и разрабо тке вопросов увеличения эффективности использования теплоты топлива и процессе стекловарении, повышения агрегатной производительности печей и снижения удельною расхода топлива путем создания оптимальных тепловых схем и параметров работы теплоутилизационной систем!,1 на отходящих газах ванных регенеративных стекловаренных печей, обусловили актуальность проведения настоящей работы.

Диссертационная работа выполнялась 1! рамках целевой комплексной научно - технической программы "ТОПЛИВО'', задание Т. 16.01.01..

Цель работы . Повышение эффективности использования теплоты топлива в процессе стекловарения путем создания оптимальной энсрготехнологичсской системы с комбинированной в зависимости от времени года выработкой электро и тепло - энергии за ¿чет у тилизации теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей.

Научная новизна. 1. Разработан метол структурной

оптимизации эперготсхпологической системы, показана эффективность его использования при выборе перспективного направления совершенствования энергопотребления стекловаренной печи. Показано, что тепловой к.п.л. стекловаренной печи увеличится на 1,5 -т 2,5% за счет применения электорэнергии, полученной в системе при варке стекла или значительно (почти в 2 раза) увеличится выработка тепло-энергии разработанным котлом - утилизатором в сравнении с действующими на стеклозаводах. Экспериментальными исследованиями доказана возможность практической реализации энерготехнологической системы, исследованы тепловые характеристики отходящих газов стекловаренных печей.

2. На базе оригинальной методики и устройства для контроля запыленности в условиях близких к условиям обтекания пучков труб котла - утилизатора, имеющего повышенную точность для высокоскоростных газовых потоков с мелкодисперсной пылыо за счет оригинальной ловушки, установлена принципиальная возможность снижения температуры питательной воды без дополнительного загрязнения поверхностей теплообмена и соответственно повышения полезного геплоиспользования котла - утилизатора за стекловаренной печыо.

3: Установлено, что повышение температуры питательной воды котла - утилизатора энерготехнологической системы приводит к ощутимому отбору выработанной тепловой мощности на ее подогрев, и, как следствие, к снижению прироста технологической производительности системы по сваренной стекломассе за счет Д.Э.П.

4. Выявлена для достигнутого уровня котло и турбостроения нецелесообразность мероприятия по увеличению тепловой нагрузки утилизационной энерготехнологической установки с помощью подъема температуры греющих газов за счет снижения тепловой нагрузки регенеративных насадок стекловаренной печи.

Практическая ценность. 1. Разработана матема-

тическая модель тепловой работы котла - утилизатора специально для стекловаренной печи, обеспечивающая оптимизацию получения

геометрических, теплотехнических, энергетических cío параметров, его аэродинамических и экологических характеристик.

2. Разработан метод оптимизации теплообмена в котле - утилиза торе, па основании которого разработана новая серия эффективных котлов - утилизаторов с выработкой пара энергетических параметров для стекловаренных печей.

3. Разработана, математическая модель тепловой работы системы "стекловаренная печь - регенератор -утилизационная электроэнергетическая установка", обеспечивающая оптимизацию получения ее теплоэнергетических характеристик.

4. С использованием моделей разработаны тепловые схемы энерготсхнологических систем с применением конденсационной паротурбинной установки' и паротурбинной установки с противодавлением в схеме с 2-х ступенчатым подогревом воздуха для горения топлива п лечи.

5. Дана количественная оценка вырабатываемой электроэнергии для сложившегося температурного режима отходящих газов после регенераторов стекловаренных печей, которая колеблется от 90 Кит (ПТУ с противодавлением) до 240 Квт (ПТУ - конденсационная) с каждых 10 тыс. пм3/час.

Реализация результатов работы в промышленности. 1. Новая серия эффективных котлов - утилизаторов с выработкой пара энергетических параметров (производитель: АО

"Белгородэнсргомаш") внедрена па Камышинском стеклозаводе. Получен значительный экономический эффект за счет сокращения энергетической составляющей себестоимости производства 1 кг. готовой продукции стеклозавода.

2. Разработаны и

выданы АО "ГИПРОСТЕКЛО" исходные данные на проек тирование энерготехнологической системы для стекловаренной печи ВВС - 2 Чогодощенского завода. Разработан проект системы в стадии "рабочий проект". Выполнен монтаж котла - у гилиза г opa и паропа-грсватсля. ' '

Автор выносит на защиту Научно - технические основы повышения эффективности тепловой работы ванных регенеративных стекловаренных печей за счет использования теплоты о тходящих газов.

Апробация работы. Работа участвовала в выставках "Строительство. Сырье. Архитектура." (г. Новосибирск, 23-25 января 1992 г.)'и "Строймаркет 92" (г. Москва, 14-19 сентября 1992 г.). По материалам диссертации получено одно авторское свидетельство, опубликованы две статьи в журнале "Стекло и керамика", одна статья в журнале "Промышленная энергетика" и четыре статьи в сборниках научных трудов АО "УралНИИстромпроскт" (г.Челябинск)

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 106 наименований и 8 приложений: изложена на 255 страницах машинописного текста, содержит 43 рисунка и 21 таблицу.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Н нерпой главе представлен обзор литературы, посвященный вопросам оценки общего состояния потребления ТЭВ и технологии стекловарения, систематизации основных направлении уменьшения суммарного потребления ТЭР в технологии стекловарения и анализу основных способов использования теплоты отходящих тазов ванных регенеративных стекловаренных печей.

Современный технологический процесс производства стекла является весьма энергоемким с не высоким средним тепловым к.п.д. равным от 15 до 35%. Основным агрегатом технологии производства строительного и технического стекла является ванная регенеративная стекловаренная печь с тем же тепловым к.п.д. 15 н- 35%, вносящая ключевой вклад в энергопотери технологии, основными из которых являются потери через ограждения печи и с отходящими газами.

Попытки отойти от традиционной технологии и добиться энергетического совершенства процесса стекловарения реализовались и создании и разработке принципиально новой стекловаренной системы, в которой отсутствует основной источник энергопотерь - плавильный агрегат.

Наиболее распространенными направлениями экономии ТЭР в традиционной технологии является создание стекловаренных печей с удельным сьемом стекломассы 2 - 3 т/м2 в сутки, теплоизоляция и герметизация варочного обт>ема стекловаренной печи, совершенствование процесса горения. '

Максимально эффективными способами использования теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей с точки зрения энергетического совершенства самого процесса стекловарения являются подогрев шихты и стеклобоя, производство энергоносителя, потребляемого затем в технологии стекловарения. Воплощением последнего способа является энерготехнологическая система, использующая полученную за счет ВЭР электроэнергии на ДЭП стекломассы, обеспечивая: повышение удельного объема стекломассы, снижение удельного расхода топлива на варку 1 кг стекломассы.

Отсутствие подобных систем на отечественных стеклозаводах в практике эксплуатации, не позволяет оценить их реальную эффективность и, следовательно, выбрать пути их оптимизации. Имеющиеся

единичные случаи эксплуатации за стекловаренными печами газотрубных котлов - угипизаторои ис дают исчерпывающей информации по оптимизации параметром их работы и прежде всего '1аких, как 'температуры греющих газон и питательной воды, давление вырабатываемого пара. Проведение практического эксперимента исключается, т.к. во - первых подобные действия не предусмотрены тепловой схемой включения КУ, но - вторых газотрубные КУ по тех. характеристикам не способны вырабатывать нар энергетических параметров, необходимый для привода паровой турбины. В этой ситуации единственно доступным с технической и экономической точек зрения методом исследований является математическое моделирование, как тепловой работы отдельно КУ, так и системы в целом "Стекловаренная печь - Регенератор - Утилизационная электроэнергетическая установка".

Определены основные направления исследования: инструментальная оценка важнейших теплотехнических и технологических параметров работы действующих стекловаренных печей, прежде всего температур отходящих тазов и подогрева воздуха, исследование процесса утилизации теплоты отходящих газов стекловаренных печей для выработки тепловой и электрической энергии, выявление оптимальных TcnjioTcxiioiioiических параметров этою процесса, разработка оптимальной тепловой схемы и параметров работы энерготех-пологической системы с получением электрической и тепловой энергии за счет теплоты от ходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей.

Вторая глава посвящена проведению натурных теплотехнических экспериментов на ванных регенеративных стекловаренных печах с использованием известных и оригинальных методик и аппаратуры, включая последующий анализ полученных результатов. При проведении экспериментов использовались шесть установок по измерению следующих параметров работы стекловаренных нечей:

- температуры факела и стекломассы в пламенном пространстве; ' '

- температуры о [ходящих газов на выходе im пламенного пространства печи и температуры подогрева воздуха в peí оперативных насадках;

-температуры газов после регенеративных насадок и в газоот-водищих боровах;

- коэффициента избытка воздуха в пламенном пространстве стекловаренной печи и в отходящих газах;

- влажности отходящих газон;

- запыленности от ходящих газов.

Последняя установка была разработана на уровне изобретения, ч то подтверждено решением Госэкспсртизы о выдаче а.с. [8].

В ходе выполнения настоящей диссертационной работы были обследованы 10 стекловаренных печей. В таблице 1 приведены результаты натурных теплотехнических экспериментов на стекловаренной печи ВВС - 2 Анжеро - Судженского стеклозавода. Трудность обработки результатов экспериментов на этой лечи заключалась в том, что на заводе не ведется учет расхода топлива на каждой горелке. Поэтому невозможно оценить распределение тепловой_мопшости по горелкам, средний коэффициент избытка воздуха н отходящих газах после регенеративных насадок и там'же среднюю температуру отходящих газов. Отсутствие этих параметров ис позволяет проанализировать тепловую мощность отходящих газов, покидающих теплотехнические устройства печи, тепловые потери при эвакуации газов на участке газоотводящего борова от регенеративных насадок до основания дымовой трубы. Тем не менее эта печь в рамках настоящей работы была обследована из всех наиболее полно. На рис. 1. представлены графики изменения температуры факела, температуры стекломассы и коэффициента избытка воздуха (а) по длине печи. Наблюдается достаточно стабильный температурный напор между факелом и поверхностью стекломассы (за исключением 1-й горелки правой стороны), который колеблется в пределах 6ГЫ00°С, В этом плане полученные результаты хорошо согласуются с литературными данными. Изменение а по длине печи в целом соответствовало бы классическому требованию технологии стекловарения, по которой этот параметр должен нарастать по мере удаления от 1-й горелки к сту-дочной части, если бы не "горб" с обеих сторон у 3-й горелки. Объяснение этому скорее всего в недостатках при эксплуатации.

Таблица 1

Результаты теплотехнических измерений на печах Анжеро - Судженского стеклозавода (ВВС - 2) (сентябрь 1983 г., август 1984 г.)

Параметр Размер и ость Режим эксплуатации "осень" Режим эксплуатации "лето"

1. Температура факела С

1 - я горелка слева 1! 1540 1480

- к ■

1488 1478

справа

2 - я горелка II 1581 1570

слева

1561 1519

справа

3-я горелка 1743 1715

слева

1702 1739

справа

4-я горелка 1716 1798

слева

1654 1771

справа

5-я горелка Н - 1713

слева

1743 1690

справа

6 -я горелка - 1645

слева

1654 1708

справа

2. Температура в 1350 1360

пламенном простра!шве

за 6-й горелкой (заводская термопара)

3. Температура 1 1

кладки подвесной стены

(заводской пирометр):

1-2 горелки 1435 1438

2-3 горелки 1500 1505

3- 4 горелки 1545 1547

4-5 горелки 1550 1551

5-6 горелки 1520 1519

экран 1490 1494

4. Температура

поверхности стек л о м ас-

сы:

1 - я горелка - 1410

слева

- 1300

справа

2-я горелка - 150!

слева

- 1446

справа

3-я горелка 1652

слева

- 1655

справа

4 - я горелка - - - 1735

слева

- 1672

справа

5 - я горелка - 1632

слева

- 1600

справа

6 - я горелка - 1594

слева

- 1602

справа

5. Температура

отходящих газов перед

регенерати в н ы м и 11 асад-

ками:

1 - я горелка - 1232

слева

- 1315

справа

2-я горелка С 1360 1417

слева

- 12X6

справа

3-я горелка - 1364

слева

- 1313

справа

6. Температура

горячего воздуха (после

подогрева в регенераторах печи):

1 - я горелка - 944

слева

- ■ 968

справа

2 - я горелка 1170 1 123

слева

- 1043

справа

3-я горелка и - 1061

слева

- 1070

справа

7. Температура

отходящих газов после

регенеративных насадок:

1 - я горелка 530 417

слева

450 447

справа

2 - я горелка 460 448

слева

450 428

справа

3 - я горелка 510 302

слева 1

-"- 1 450 307

справа 1

4-я горелка 1 465 304

слева 1

-"- ! 440 246

справа

5-я горелка - 4X6

слева , ,

- 359

справа

6 - я горелка - 341

слева

- 433

справа '

К. Температура 380 390

отходящих газов у дымо-

вой трубы

9. Коэффициент

избытка воздуха в отхо-

дящих газах перед реге-

неративными насадками:

1 - я горелка - 1,13 ' 1,099

слева

- 1,07 1,019

справа

2-я горелка - - 1,167

слева - -

- 1.15

справа

3 - я горелка - - 1.235

слева

- - 1,31

справа

4-я горелка - - ¡,2

слева

- - 1,19

справа

5-я горелка - - 1,21

слева

- - 1,235.

справа

6-я горелка - - 1,265

слева

- - 1,24

справа

10. Коэффициент

избытка воздуха в отхо-

дящих газах после реге-

неративных насадок:

1 - я горелка - 1,56 1,35

слева

- 1,74 1,1К

справа

2-я горелка - - 1,35

слева

- - 1,18

справа

3 - я горелка - - 1,5

слева

- - 1.43

справа

4-я горкслка - - 1,46

слева

- - 1,63

справа

5 - я горелка - - 1,53

слева

- - 1,48

справа

6 - я горелка - - 1,65

слева

- - 1,51

справа

11. Расход топли- кг/час 2194 1907

ва в печи на момент экс-

перимента (мазут)

12. Тепловая Мвт 24,24 21,07

мощность печи (по топ-

ливу)

13. Мощность М ит - -

ДЭП

14. Суммарная те- 24.24 21.07

пловая мощность печи

15. Производи- т/сут 259,2 245

тельность печи на момент

эксперимента .

16. Съем с общей кг/м2с 503.3 475,7

площади ут

17. Съем с площа- 1066.7 1008.2

ди варочной части -

18. Расхрдл-сшш на Кдж/к ШХ0.2 7430.3

1 кг стекломассы (по чоп- г

ливу)

19. Суммарный -"- 8080,2 7430,3

расход тепла па 1 кг стек-

ломассы

20. "Условное теп- кВг/м2 99,75 86.71

ловое напряжение зерка-

ла отапливаемой части

печи (по топливу)

21, Коэффициент /и 36.27 39.44

полезного действия печи

22. Тепловые потери с отходящими газами (при средней температуре у дымовой трубы и к-тс избытка воздуха- 1,6) Мит 5,7 5,09

23. То же в % от тепловой мощности печи % 23,5 24,16

24. Объем отходящих газон нмЗ/ча с 38700 . - 33700

Результаты экспериментов по измерению температуры дымовых газов на выходе из пламенного пространства печи и температуры подогрева воздуха также хорошо согласуются с литературными данными. Анализ тепловой работы регенераторов I - 3 горелок позволил косвенно оцепи ть тепловые потери через ограждения регенераторов, которые составляют от 0,6 до 9,2%. Помимо печей этого завода были обследованы печи № 1 и №2 Коркипского стеклозавода,ЛДФ 1 и ЛДФ 5,6 Саратовского завода технического стекла, ЛПС - 1 и ЛПС - 2 Борского стеклозавода, ВВС - 1 и ВВС - 2 Чагодощенского стеклозавода.

Анализ полученных результатов показал, что технологические параметры работы стекловаренных печей ЛДФ - 1 и ЛДФ -5,6 Саратовского завода, ЛПС - 2 Борского завода и ВВС - 1 Чагодощенского завода близки к проектным показателям. Отклонения от проектных показателей наблюдается у стекловаренных печей ЛПС - 1 Борского завода и ВВС - 2 Чагодощенского завода. Среди обследованных печей максимальные еьемы с площади варочной части и низкие затраты теплоты на 1 кг. сваренной стекломассы имеют ЛДФ - 5,6 Саратовского завода и ЛПС - I, ЛПС - 2 Борского завода. Эти же печи имеют наибольшие выбросы теплоты с отходящими газами, которые колеблются от 35% до 48% тепловой мощности печи. Температурный уровень выбросов с отходящими газами достигает 500 н- 550°С, который теоретически позволяет вести выработку пара энергетических параметров при утилизации теплоты указанных газов. Показано, что наиболее перспективным направлением повышения тепловой эффективности процесса стекловарения является оптимизация процесса выработки электроэнергии и использовании ее на ДЭП стекломассы за счет утилизации теплоты отходящих газов стекловаренных печей, которое при достигнутом в стране техническом уровне котло и турбостроения позволит повысить к.п.д. печей на 8 -10%.

а)- левая сторона печи

б) - правая сторона печи

1 - температура факела. 2 - температура поверхности ст екломассы. 3 - коэффициент избытка воздуха. Рис. 1. Изменение температуры факела, температур!,] поверхности стекломассы и коэффициента из избытка воздуха I! варочной части стекловаренной печи по результатам экспериментов на ВВС - 2 Анжеро- Суджсиского стеклозавода

Третья глава посвящена исследованиям по оценке эффективности серийного теплоутилизационного и теплосилового оборудования для производства электрической и тепловой энергии за счет теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печем. 15 первую очередь проанализирована тепловая работа ко 1 лов - утилизаторов серии КУ ПО "Бслгородэнсргомаш" в температурном интервале, характерном для ванных регенеративных стекловаренных печей. В результате анализа выявлено, что выработка пара энергетических параметров котлами - утилизаторами с паспортной структурой поверхностей нагрева может сопровождаться нарушением гидродинамического режима работы, вследствие выхода экономайзера котла в "кипящий режим", особенно вероятное при низких входных температурах греющих газов (450 500°С). Причиной выхода экономайзера I! указанный режим является малый температурный нерепа;! между греющими газами и рабочей средой, бгтриводяший к малому тепло-восприятию испарительного контура (поверхности остаются неизменными). Так при расходе 90 тыс. нм'/час и входной температуре греющих газон 450°С отношение гепловосприятия испарительного контура к тецловому потенциалу греющих газов на входе составляет 24,3%, а для входной температуры греющих газов 550°С при том же расходе - 31,7%, в то время как дли этих же входных температур отношение потенциала греющих газов на выходе из испарительного контура к тепловому потенциалу греющих газов на входе в котел -

73,1"/" и 64,2% соответственно. Приведенные величины наглядно демонстрирую!, что при низких входных температурах греющих, газов изменение их потенциала в испарительном контуре незначительно. Это приводит к слабой парообразующей его способности,' и. как следствие, малый расход питательной воды через экономайзер котла, который в свою очередь воспринимает "тепловой удар" от " лссрабо-тавших " в испарительном контуре греющих газов. Избежать этого явления можно увеличенным расходом питательной поды через экономайзер, но при этом придется делать увеличенную продувку котла чтобы избежать повышения,уровня в барабане котла. Можно пойти по пути увеличения теилоиоеирйятия испари тельного контура котла-утилизатора за счет' изменения соотношения поверхностей нагрева испарительного контура и экономайзера, но подобное мероприятие связано с реконструкцией серийного оборудования.

Наиболее существенный объем исследований в третьей главе посвящен оценке эффективности энерготехнологической системы на базе серийного теплоутилизационного и теплосилового оборудования для выработки электроэнергии за счет теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей. Для этого смоделирована рабо та такой системы с! целью выявления влияния температуры питательной воды и температуры греющих газов (в интервале, характерном для регенеративных стекловаренных печей) на эффективность системы. В ходе моделирования режимов температура греющих газов изменялась от 450 до 550°С с шагом 50°С и температура питательной воды от 30 до 150°С (соответствует паспортному значению подогрева питательной поды в системе регенерации турбины П - 6 - 3515м) с шагом 30°С. На всех режимах моделирования расход дымовых газов через котел - утилизатор оставался постоянным. Проведенное моделирование показало, что повышение температуры питательной воды приводит к повышению паропроизводительиости па любом режиме по температуре греющих газов. Темп роста паропроизводительиости выше при более горячих греющих газах. К.п.д. котла - утилизатора, наоборот, снижается с повышением температуры питательной воды. Причем, темп снижения в этом случае практически уже не зависит от температуры греющих газов. В части повышения температуры уходящих газов после котла - утилизатора от применения регенеративного подогрева питательной воды полученный результат хорошо согласуется с опубликованными данными. Выявлено, что одновременное снижение паропроизводительиости и повышение к.п.д. котла - утилизатора при Снижении температуры питательной воды связано с изменением структуры полезного тсплоиспользования поверхностями нагрева котла. Так независимо от температуры греющих газов около

90% полезного тсплоиепользоваиия козла приходится па догрсв питательной воды до температуры насыщения и последующее се испарение. С ростом темпера туры питательной воды возрастает испарительная доля в полезном теплоиспользованпи, что и объясняет росз паропроизводителыюстп котла. На рис. 2 показано влияние температуры греющих газов и питательной воды на структуру полезного теп-лоиспользовапия ко тла - утилизатора. Анализ результатов моделирования показал, что абсолютный эффективный к.и.д. эиерготехноло-гичсской системы па базе серийного энергетического оборудования, применительно к уровню выбросов ванных регенеративных стекловаренных печей от температуры питательной воды фактически не зависит. Согласно опубликованным данным возможно снижение вырабатываемой мощности ПТУ от использования отбора на регенерацию, но такое утверждение справедливо при неизменном расходе свежего пара в ПТУ. В то же время, согласно результатам моделирования, применение регенеративного подогрева способствует росту паропроизводителыюстп котла - утилизатора за счет изменения структуры полезного тсилоиснользования поверхностями нагрева котла, следовательно, в этом случае при постоянном подводе теплоты в котел, повышенный расход свежего пара н турбину компенсирует некоторое снижение вырабатываемой мощности от использования отбора на регенерацию.

Рис. 2.а.

»0 80 70 60 50

7.

40 30 20 10 О

30 60 »0 120 150

1п.в.[С]

11-1 -1 1-41

2 /

1 у

----[1

—-й

Рис. 2.6.

1п.в.[С]

50 «0 70 60 !0

%

40 .10 20 10 О

30 60 90 120 150

1п.в.(С]

Условные обозначения :

1 - доля тепловосприятия па догрев питательной воды до температуры насыщения по отношению к полному полезному тспловос-приятию и котле - утилизаторе,

2 - суммарная доля теплопоенрияшя на догрев питательной воды до температуры насыщения и се испарение но отношению к полному тепловосприятию в котле - утилизаторе.

а) 1Г = 450 °С, Ь) 1г = 500°С, в) Ь = 550°С

Применительно к условиям тепловых выбросов Борского стеклозавода им. Горького выполнен сравнительный анализ трех эперго-технологмческих систем на базе серийного отечественного и зарубежного энергетического оборудования. Отличие систем состоит в типе

Рис. 2.8.

¡г—-=—в

—-—С

использованных паротурбиииых установок (ПТУ). Важными моментами сравнительного анализа эффективности систем являются :

1. Энерготехнологичсская система на базе ПТУ с противодавлением типа Р - 2,5 - 15/ЗМ способна на максимальную выработку электроэнергии только зимой в периоды максимального тепдопо-трсбления заводом. В летние месяцы эксплуатации (особенно август) суммарное по требление пара но заводу составляет около 11 - 12 т/час, что не может обеспечить привод ПТУ. Согласно заводской гарантийной кривой удельного расхода пара при минимальной мощности на зажимах электрогенератора 1000 КВт, минимально допустимый расход пара через ПТУ должен быть не менее 17,2 т/час;

2. Максимальная пропускная способность венгерской ПТУ "ЛАНГ" составляет 22 т/час, в то же время как, суммарная паропро-изводитслыюсть козлов - утилизаторов Г - 1030Б на отходящих газах стекловаренных печей Л ПС №>1 и Л ПС №2 составляет 26,6 т/час. В этом случае наблюдается несбалансированность ПТУ и КУ по пару в количестве 4,6 т/час. Такое перепроизводство пара снижает эффективность системы, т.к. она "недобирает" по выработке электроэнергии, что приводит к увеличению удельного расхода пара на выработку 1 Квт.час.;

3. Использование в системе ПТУ П - 6 - 35/5М приводит к работе турбины с "недогрузом". Однако, турбина допускает длительную эксплуатацию в таком режиме без сокращения ресурса. Дефицит по пару для вывода турбины на номинальную мощность 6,0 МВт составляет 4,5 -г 5,0 т/час. Это количество пара легко может быть получено после ввода в эксплуа тацию линии полированного стекла

4. В котле - ушлизаторе КУ - 100 - 1 за стекловаренной печыо ЛПС №2 условная температура питательной воды после экономайзера котла получена равной температуре насыщения, что свидетельствует о возможной работе экономайзера котла в "кипящем режиме''.

Результатом сравнительного анализа является рекомендация для Борского стеклозавода использовать в эксплуатации энерготехнологическую систему на базе отечественной ПТУ П - 6 - 35/5М, которая в сравнении с системами на базе ПТУ с противодавлением Р -2,5 - 15/ЗМ (Россия) и ПТУ "ЛЛНГ" (Венгрия) имеет:

- большую в 1,7 н- 2,6 раза мощность вырабатываемой электроэнергии;

- меньший в 2,4 -=- 5,4 раза удельный расход дополнительного топлива па выработку 1 Квт. часа;

- меньший в 2 - 3 раза удельный расход пара на выработку 1 КВт. часа;

- большую в 1,7 -г 2,8 раза эффективность (к.п.д.)

Для внедрения головного образца отечсстненной энерготехнологической системы в стекловаренном производстве выбран Чагодощенский стеклозавод, где длительное время находилось в эксплуатации собственная электростанция завода. В таблице 2 приведена техническая характеристика энерготехнологической системы для Чагодощенского стеклозавода на базе паротурбинной установки АП -1,5.

Таблица 2

Техническая характеристика энерготехнологической системы для Чагодощенского стеклозавода на базе паротурбинной установки АП -1,5 (расчетные показатели)

Параметр Размерпост ь Величина

Тепловая мощность отходящих газов : -ВВС-1 -ВВС-2 МВт )) 4.25 6.18

Параметры острого пара перед стопорным клапаном турбины : - температура - давление - расход °С МПа кг/час 435 4.43 6061

Расход топлива в стекловаренных печах ВВС - 1 и ВВС - 2 (мазут, С)Рн = 9620 ккал/кг) кг/чае 4292

Расход дополнительного топлива на систему (мазут, (^рц = 9620 ккал/кг) 42.4

Доля дополнительного топлива в % от расхода топлива па стекловаренных печах ВВС - 1 и ВВС -2 % 1

Мощность, вырабатываемая турбиной при ее работе в конденсационном режиме МВт 0.90

Предельные параметры при работе турбины с производственным отбором пара: 1 - электрическая мощность |- расход пара в отборе МВт т/час 0.50 3.86

(максимальный)

Годовая выработка: - электроэнергия (т = К500 час) - тепловой энергии в виде пара (т = 6000 часов) КВт-час г 5.25 млн. 23160

Удельный расход дополнительного топлива на вырабо тку 1 КВг.час г.у.т./КВт. ч ас 64.7*

Эффективный абсолютный к.п.д. эпсрготехнологичсской системы % 8.25**

* - Удельный расход условного топлива на электростанциях общего пользования бывшего СССР в 1985 году на один отпущенный киловатг-час составлял 326 г.у.т./КВт.час [81].

** - Эффективный абсолютный к.п.д. электростанций общего пользования бывшего СССР в 1985 году составил 37.68%

Ш1_

В четвертой главе приведены результаты исследований энерготехнологических систем в стекловаренном производстве с использованием математических моделей.

Использование теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей с учетом их объема и температурного уровня в настоящей работе предусматривалась по одному из следующих направлений :

а) теплофикационное;

б) электроэнерх'етическое с использованием конденсационных паротурбинных установок;

в) электроэнергетическое с использованием паротурбинных установок с противодавлением.

До настоящего времени в стекольной отрасли отсутствовали отечественные разработки по оценке перечисленных выше направлений использования теплоты отходящих газов, как для конкретной действующей стекловаренной печи, так и для проектируемой или перспективной.

Схема моделируемой эперто технологии заключалась в том, что вырабатываемый за счет использования теплоты отходящих газов энергоноситель (пар или электроэнергия) используются в дальнейшем на технологию стекловарении, в часности, в первом случае на покрытие теплоэнергетической нагрузки, во втором и в третьем случаях подается на дополнительный элсктроподогрсв стекломассы (ДЭП).

Для реализации метода разработаны математическая модель тепловой работы теплоутилизационного парогенератора (котла -утилизатора) и математическая модель системы "Стекловаренная печь - регенератор - утилизационная электроэнергетическая установка". С использованием модели! можно провести оптимизацию работы теплоутилизационного и теплосилового оборудования для условий работы конкретной стекловаренной печи, проектируемой или перспективной. Для первого направления целы о оптимизации является поиск максимальной паропроизводительности котла - утилизатора; для второго и третьего - максимальная тепловая нагрузка варочного объема, стекловаренной печи от комбинированного пламенного и электрического обогрева при неизменном расходе топлива.

Комплекс из двух математических моделей разработан на применение таким образом, что проведению экспериментов на ПЭВМ 1ВМ РС с использованием модели "стекловаренная печь - регенератор - утилизационная электроэнергетическая установка" должно предшествовать моделирование тепловой работы котла - утилизатора с целью выбора оптимальных параметров исследуемой тепловой схемы (на базе конденсационной ПТУ или ПТУ с противодавлением), в частности давления свежего пара и температуры питательной воды.

Результаты моделирования подтверждают предварительное предположение о росте паропроизводительности КУ от увеличения температуры греющих газов и питательной поды. При этом более значительно влияние температуры греющих газов.

Эффект от использования КУ в теплофикационном режиме имеет обратную зависимость от температуры питательной воды - с ее ростом ои падает. Связано это с увеличением отбора вырабатываемой КУ мощности на подогрев температуры питательной воды до величины параметров моделирования, т.е. с обслуживанием собственных нужд КУ.

Покрытие тепловой нагрузки технологии стекловарения (с учетом имеющихся данных затрат гешюэнергии на производство I т стекла - около 1,6 кдж/т) за счет использования ВЭР может составить для исследованного диапазона по температуре греющих газов - 83,2 -г 210%. В максимальном режиме возможен даже отпуск теплоты па сторону или покрытие других видов тегшовой нагрузки, например, отопительной или горячего водоснабжения ( ГВС).

В ходе моделирования выявлены интересные изменения структуры полезного теплоиспользовапия КУ, которую условно можно разбить па две составляющие; испарительную ( ) и кипятильную ( (}К1 ). Первая представляет долю затрат теплоты на испарение и перегрев пара по отношению к полезному теплоиспользованию КУ,

вторая- долю затрат теплоты па догрсв питательной поды до температуры кипения по отношению к полезному теилоиспользоваиию КУ. Основное влияние па структуру оказывает только температура пи тательной воды, с се ростом растет СПБ и при равенстве температуре насыщения <318 ~ Ю0%. Такая картина наблюдается при любой температуре грсюишх газов и давлении вырабатываемого пара. Возрастание увеличивает температуру уходящих газов после КУ(Г\) и, следовательно, снижает абсолютную величину полезного тсплоиепользоваиия, хотя теоретически желательно, чтобы <315 = 100%. При обратной картине, коиш <ЗК1 - НЮ% 1э " снижается, растет абсолютная величина полезного тсшюиспользонаиия, которая в этом случае используется не продуктивно 1! том плане, что значительная ее часть расходуется на составляющую, которая па прямую'нс связана с паро-производит еды юс тыо КУ.

Для оценки адекватности разработанной модели использован опыт эксплуатации водотрубных КУ за печами обжига комбината "Магнезит" (Челябинская обл. ). Практическое совпадение результатов моделирования и данных эксплуатации свидетельствует об адекватности модели.

На основе проведенных исследований разработана новая серия эффективных котлов - утилизаторов с выработкой пара энергетических параметров, опытная партия которых изготовлена па АО "Белгородэнергомаш" и внедрена па Камышинском стекольном заводе. Получен значительный экономический эффект за счет сокращения энергетической составляющей себестоимости рпоизводства 1 кг. готовой продукции стеклозавода.

Для анализа эффективности энерготсхнологической системы разработано математическое описание тепловой работы системы " стекловаренная печь - регенератор - утилизационная электроэнергетическая установка".

Технология процесса, заложенная в модель предусматривает :

1) обо1 рев варочной зоны стекловаренной печи от двух источников - дополнительный электроподогрсв стекломасы ( ДЭП ) и пламенный обогрев от сгорающего т оплива;

2) двухступенчатый подогрев окислителя ( воздуха ) - первоначально в паровоздушном теплообменнике, затем в регенеративных насадках печи;

3) двухступенчатая утилизация теплоты отходящих газов - первоначально для нагрева регенеративных насадок печи, затем для генерации пара в котле - у тилизаторе ( КУ );

4) преобразование тепловой энергии пара в механическую посредством расширения в проточной части паровой турбины с противодавлением или конденсационной;

5) преобразование механической энергии в электрическую с использованием электрогенератора;

6) подача всей выработанной электроэнергии на ДЭП стекломассы;

7) подача пара из камеры противодавления паровой турбины в паровоздушный теплообменник для предварительного подогрева окислителя ( воздуха );

8) срабатывание пара в паровоздушном теплообменнике предусмотрено до температуры питательной воды, подаваемой в котел-утилизатор.

Моделью предусмотрена возможность использования в технологии паровой конденсационной турбины, при этом изменится п.2, т.к. подогрев окислителя будет осуществляться только в регенеративных насадках и исключался п.п.7 и 8.

Модель базируется на системе балансовых уравнений каждого элемента схемы.

По результатам моделирования рассмотренная энерготехнологическая система с утилизационной электроэнергетической установкой на базе конденсационной ПТУ энергетически эффективней на 1 -1.5 % стекловаренной печи без указанной установки при условии, что установка использует отходящие газы с температурой сложившейся в практике эксплуатации ванных регенеративных стекловаренных печей и не меняются тепловые режимы работы регенеративных насадок. Фактически это означает, что на варку каждой тонны стекломассы в такой энерготехнологической системе, необходимо затратить на 26 кг. у.т. меньше, чем в стекловаренной печи без такой установки. Более эффективна эксплуатация системы с такой структурой при более низких 1 п.в. с давлением острого пара Ро =2,4-4,8 Мпа. Повышение 1 п.в. приводит к ощутимому отбору выработанной тепловой мощности установки на подогрев I п.в., и, как следствие, к снижению вырабатываемой электрической мощности и прироста технологической производительности системы но сваренной стекломассе за счет ДЭП.

Энерготехнологическая система с утилизационной электроэнергетической установкой на базе ПТУ с противодавлением в режиме эксплуатации без изменения тепловой нагрузки регенеративных насадок горелок стекловаренной печи имеет лучшие энергетические показатели при велечинс противодавления Рр = 0.3 Мпа п диапазоне температур t п.в. = 102 - 133°С. Та же система, эксплуатирующаяся

- 2-1 •

при режиме по 1 реющим [азам, полученном увеличением температуры отходящих кикж после ре! оперативных насадок каждой горелки печи па 1(Ю°С, им ее 1 теплотехнические показатели практически не превосходящие показа тели эксплуатации одиночной стекловаренной печи. В этом случае максимальный прирост к.ц.д, системы составляет 0,4% при величине противодавления 1,5 МПа. Уровень подогрева воздуха практически при любом противодавлении ниже, чем при эксплуатации одиночной стекловаренной печи (Рис. 3.). После выполнения условия равенства температуры питательной воды (I и«) и температуры насыщении при величине противодавления (1'р ) прекращается рост температуры подогрева воздуха для горения и уменьшается доля стекломассы, сваренной за счет ДЭП (Рис. 4). Максимальное снижение температурного уровня подогрева воздуха для горения при такой режиме составляет 61 °С по отношению к режиму эксплуатации одиночной стекловаренной печи, минимальная + 2°С при противодавлении 1.5 Мпа.

Рис. з.

то -г 880 870 -860 •■ «50 ■■ I \Л> [С] 840 •■ 830 ■■ 820 810 800 -■ 790 ■780

50

100 138 1)0 1*0 7." 0 250

1п.в.[С]

Рис. 4.

Рис. 5.

Н.8 ■

1» С J-1-н-1-1-1-1

50 100 1!0 150 190 720 250

1п.в.1С]

Условные обозначения к Рис. 3. 4. 5

1 - противодавление Рр = 0,3 Мпа, 2 - Рр = 0,6 Мпа, 3 - Рр = 0,9 Мпа, 4 - Рр = 1,5 Мпа, 6 - к.п.д. стекловаренной печи без утилизационной электроэнергетической установки.

Прирост к.п.д. системы Уг с ростом tn.il независимо от противодавления происходит только до момента, когда 1п.п. меньше температуры насыщения при давлении в паровоздушном подогревателе равном давлению пара в камере противодавления ПТУ (Рис. 5). В разработанной математической модели учтен режим нормального, с

точки зрения термодинамики, функционирования паросилового цикла, при котором пар, сработавший в ПТУ и поступивший в паровоздушный подогреватель, должен быть обязательно сконденсирован, и если 1п.в. < 1р , то после конденсации охлаждается до величины 1иц . Поэтому при более низком противодавлении больше величина располагаемого теплоперспада и, следовательно, вырабатываемая электрическая мощность, от которой напрямую зависит прирост технологической производительности печи по сваренной стекломассе за счет ДЭП, что обьясняет поведения кривых с низким противодавлением па Рис.5, располагающихся выше. Иная картина наблюдается при ln.li. > (р. В этом случае нормальное функционирование паросилового цикла возможно только при полной конденсации потока пара. Однако, дальнейший подогрев поток конденсата до величины и.» происходит за счет отбора части тепловой мощности котла - утилизатора (КУ). Чем выше разность между tn.ii. и 1Р, тем больше отбор тепловой мощности КУ в ущерб выработки электрической мощности. Поэтому с ростом Ы в. кривые с высоким и низким противодавлением на Рис.5 меняются местами. На каждой величине противодавления после прохождения точки 1Р происходит стабилизация или даже снижение в приросте к.п.д. системы. Оптимальным на конкретной величине ротиводавления является условие tii.ii = 1Р.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Установлено, что среди действующих производств России стекловаренные печи с максимальными съемами и низкими удельными затратами теплоты на единицу продукции имеют наиболее высокие выбросы теплоты с отходящими газами, составляющие 35 - 48 % от тепловой мощности печи. Температурный уровень выбросов с отходящими газами ванных регенеративных стекловаренных печей достигает 500 - 550°С , что теоретически позволяет вести устойчивую выработку электроэнергии по традиционному паровому циклу Рен-кина при утилизации теплоты данных газов.

2. Разработана оригинальная методика и устройство для контроля запыленности [8] в условиях близких к условиям обтекания пучков труб котла - утилизатора, имеющего повышенную точность для высокоскоростных газовых потоков с мелклдисперсной пылыо за счет оригинальной ловушки.

3. С использованием разработанного устройства установлена принципиальная возможность снижения температуры питательной воды без дополнительного загрязнения поверхностей теплообмена и

соответственно повышения полезного теплоиснользования котла -утилизатора за стекловаренной исчыо.

4. Разработана математическая модель тепловой работы котла - утилизатора специально для стекловаренной печи, обеспечивающая оптимизацию получения геометрических, теплотехнических, энергетических его параметров, его аэродинамических и экологических характеристик.

5. Разработан метод оптимизации теплообмена в котле - утилизаторе, на основании которого разработана новая серия эффективных котлов - утилизаторов с выработкой пара энергетических параметров для стекловаренных печей.

6. Разработана математическая модель тепловой работы системы "стекловаренная печь - регенератор - утилизационная электроэнергетическая установка", обеспечивающая оптимизацию получения ее теплоэнергетических характеристик.

7. С использованием моделей разработаны:

- метод структурной оптимизации эперготехнологической системы, показана эффективность его использования при выборе перспективного направления совершенствования энергопотребления стекловаренной печи,

- тепловые схемы энерготехнологических систем с применением конденсационной ПТУ и ПТУ с противодавлением в схеме с 2-х ступенчатым подогревом воздуха для горения топлива в печи.

8. Установлено, что повышение температуры питательной воды котла - утилизатора приводит к ощутимому отбору выработанной тепловой мощности на ее подогрев, и, как следствие, к снижению прироста технологической производительности системы по сваренной стекломассе за счет ДЭП.

9. Выявлена для достигнутого уровня котло и турбостроения нецелесообразность мероприятия по увеличению тепловой нагрузки утилизационной электроэнергетической установки с помощью по-дьема температур!,I греющих газов за счет снижения тепловой нагрузки регенеративных насадок стекловаренной печи.

10. Получена количественная оценка вырабатываемой электроэнергии для сложившегося температурного режима отходящих газов после регенераторов стекловаренных печей, которая колеблется от 90 КВт ( ПТУ с противодавлением ) до 240 Квт ( ПТУ - конденсационная ) с каждых 10 тыс.пмЗ/час.

11. Новая серия эффективных котлов - утилизаторов с выработкой пара энергетических параметров внедрена на Камыппшском стеклозаводе.

12. Разработаны и выданы АО ТИПРОСТЕКЛО" исходные данные на проектирование энерготехпологической системы для стек- 28 -

доваренной печи ВИС - 2 Чагодотенского завода. Разработай проект системы и стадии "рабочий проект". Выполнен монтаж когда - утилизатора и пароперегревателя.

13. От внедрения разработки получен значительный экономический эффект.

ПУБЛИКАЦИИ MOTEME РАБОТЫ

1) Матвеев H.A. , Мпхайличепко Т.И. Некоторые особенности методики Титовых расчетов котлов-у пипшторов. В сб.: Жаростойкие и теплоизоляционные материалы и изделия. УралНИИстромпро-ект, Челябинск, 1985, с. 116-127.

2) Матвеев В.А., Давыдова К.Ю. К вопросу' выработки пара электроэнергетических параметров за счет утилизации теплоты отходящих газов стекловаренных печей регенеративного типа. В сб. : Силикатные стеновые и теплоизоляционные материалы на основе вторичного сырья. УралНИИстромпроект, Челябинск, 1986, с. 106-118.

3) Матвеев В.А., Давыдова К.Ю. Опытная энерготехническая система для Чагодотенского стеклозавода. В сб. : Строительные материалы и изделия на основе местного сырья и вторичных продуктов. УралНИИстромпроект, Челябинск, 1988, с.101-107.

4) Матвеев В.А., Давыдова К.Ю. К вопросу повышения эффективности эперго технологических систем для выработки электроэнергии за счет утилизации теплоты отходящих газов регенеративных стекловаренных печей. В сб. : Жаростойкие и теплоизоляционные материалы и изделия. УралНИИстромпроект, Челябинск, 1989.

5) Матвеев В.А., Ильяшенко И.С., Давыдова К.Ю. Выработка пара с энергетическими параметрами при утилизации теплоты отходящих газов стекловаренных печей. Стекло и керамика, № 2, 1988, с. 7-9.

6) Матвеев В.А., Давыдова К.Ю.. Ильяшенко И.С., Скаченков В.Я. Использование теплоты отходящих газов ванных регенеративных стекловаренных печей для выработки электрической и тепловой энергии. Промышленная энергетика, Лгу 10. 1989, с. 41-44.

7) Матвеев В.А., Ильяшенко И.С., Жпмалов А.Б., Максимов В.В., Смулянский И.Б. Энерготсхиологичсскос использование топлива стекловаренных печей. Стекло и керамика, № 5. 1991, с. 5-7.

8) A.C. № 1748493. МКИ G 01 N 15/00. Устройство для контроля запыленности. Матвеев В. А.

2У