автореферат диссертации по энергетике, 05.14.16, диссертация на тему:Защита окружающей среды при теплотехнологическом использовании продуктов сгорания теплообменными системами

'ff

Ч'

' CL., '

"С

'J . te.

OiUiX

РОСТОВСКАЯ - НА - ДОНУ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО МАШИНОСТРОЕНИЯ

УДК 656:004.18+[656:504]+669:04

На правах рукописи

ЗАЩИТА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ ПРИ ТЕПЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОДУКТОВ СГОРАНИЯ ТЕПЛООБМЕННЫМИ СИСТЕМАМИ

05.14.16 - «Технические средства и методы защиты окружающей среды»

(промышленность)

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Ростов - на - Дону 1998

ГГШнРЖ А Ш-ТР

Г

ВВЕДЕНИЕ б

1. ОСНОВНЫЕ НАОТАВЛЕНИЯ СНИЖЕНИЯ ЗАПРЯЗНЕНИЙ АТМОСФЕРЫ ПРОДУКТАМИ СГОРАНИЯ ОГНЕТЕХНЙЧЕСКИХ АГРЕГАТОВ 15

1.1. Виды загрязнений при- использовании природного газа 15

1.2. Способы снижения загрязнений 18

1.3. Общие положения потребления топлива в промышленности 25 1.3.1. Использование тепловых энергетических ресурсов

в мапшностроежш 27

1.4. Комплексное использование природного газа 33

1.4.1. Современные тенденции энергопотребления

в ошетехничесжих установках 33

1.4.2. Последовательно-ступенчатое применение продуктов сгорания технологическими установками 39

1.4.3. Использование тепловых энергетических ресурсов на отопление, вешиляцню, горячее водоснабжение

и кондиционирование воздуха 41

1.4.4. Комплексные схемы н теплообменные устройства джя использования теплоты продуктов сгорания . 45

1.4.5. Методы расчета и оптимизации теплообменник

устройств 49

у V.- л

1.5.Основные положения при разработке и оштшзщии теплотехнологического использования продуктов сгорания

1.6. Выводы 55

2, ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ТЕЕЛОТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ С ПРИМЕНЕНИЕМ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕ1ШООБМЕНШЖОВ

2.1. Комплексная оптимизация теплообменных систем

"У О '^ТТАИ.ТрХГТХТ ЪТ\Ъ..rrrrtf'-i'r-TTT.rv Г-ТТГТ-тЯ

2.3. Обща.« схема теплообменных систем

2.4. Определение обобщённого критерия оптимизации

2.4.1. Определение экономических эффектов при использовании комплексных систем

2.4.2, Расчет приведённых затрат- теплотехнолошческих систем

2.5. Разработка методики оптимального построения теплообменных систем и их элементов

2.5.1. Метода решения задач оптимизации при разработке комплексных систем

2.5.2. Основные пришиты выбора структуры тешотешологннесжнх систем

2.5.3. Выбор интегрированной среды для разработки установок комплексного использования продуктов сгорания

2.5.4. Оптимальное проектирование комплексных установок

2.6. Основные показатели эффективности теплообменных систем

27. Выводы

3. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ РАБОТЫ КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕИПООБМЕНШЖОВ

3.1. Математические модели элементов комбинированных теплообменников

3.1.1. Математическая модель теплообменника с односторонним обогревом

3.1.2. Математическая модель теплообменника с Еторичным взлучасгелш

3.1.3. Математическая модель теплообменника с двусторонним обогревом

3.1.4. Математическая модель теплообменника с двусторонним

обогревом и двойной щфкулжгией нагреваемой среды 127

3.2. Мзтемашчесжая модель кассетного комбинированного теплообменника 142

3.3. Применение математических моделей и рекомендации

по расчет)? кассетного комбшшровзнною теплообменника 154

3.4. Выводы • 155

4. РАЗРАБОТКА КОМБИНИРОВАННЫХ ТЕПЛООБМЕННИКОВ ДЛЯ ТЕГОЮОБМЕННЫХ СИСТЕМ 157

4.1. Выбор элементов комбинированных теплообменников 157

4.1.1. Радиационный щелевой теплообменник

одностороннего обогрева 159

4.1.2. Радаацнонный щелевой теплообменник

с двусторонним обогревом 161

4.1.3. Радищиошшш щелевой теплообменник с двусторонним обогревом и двойной щфкуляцией нагреваемой среды 165

4.2. Конструкции комбинированных теплообменников 167

4.2.1. Радиационно-конвектнвный комбинированный теплообменник 167

4.2.2. Блочный комбинированный теплообменник 170

4.2.3. Теплообменник - циклон 173

4.2.4. КомбншфОЕзиный теплообменник с конусными поверхностями нагрева 177

4.3. Выводы 179

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ШШООБМЕННИКА

И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ 181

5.1. Огневой стенд для комплексных исследований 181

5.2.Мегодика проведения эксперимента и обработки экслер1шентзжньЕ4 данных 183

5.3. Анализ результатов ноштзшш 186

5.4. Выводы 202 6. ЭФФЕКТИВНОЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ТЕШЮОБМЕННЫХ

СИСТЕМ В ПРОМЫИШЕННОСТИ 204

6.1. Защита окружающей среды и рациональное использование топлива в машиностроении 204

6.1.1. Теплообменная система нагревательной печи

ОАО "Ростсельмаш" 204

6.1.2. Теплотехнологическая система термической печи

в кузнечном цехе ОАО «Ростсельмаш» 207

6.1.3. Комплексная система эмалеплавильной печи

завода «Сантехлит» 209

6.1.4. Теплообменные системы в термических

цехах ОАО "Урал АЗ" 212

6.1.5. Теплотехнологические системы высокотемпературных печей, оборудованных инжекционными горелками

6.2. Повышение эффективности защиты окружающей среды и ресурсосбережения в промышленности строительных материалов 225

6.3. Защита окружающей среды и энерго - ресурсосбережение на предприятиях санитарно-техштческого оборудования 234

6.4. Защита окружающей среды и рациональное использование топлива в химической промышленности 239

6.6. Выводы 245

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 247

ЛИТЕРАТУРА 251

ПРИЛОЖЕНИЕ 277

л -а 2-10

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Развитие промышленности сопровождается повышением расхода тепловой и электрической энергии, на выработку которых тратится значительная часть ископаемого топлива. В связи с этим увеличивается загрязнение окружающей среды продуктами сгорания топлива со стороны ТЭС, котельных, промышленных печей, двигателей внутреннего сгорания.

Поэтому защита окружающей среды и изыскание резервов рационального расходования топлива - две важные проблемы, решению которых во всем мире уделяется большое внимание, особенно в последнее время, и которые были и остаются актуальными.

Основные пути решения экологических проблем: энергосбережение, повышение качества топливопотребляющих установок, расширение использования экологически более чистых видов топлива и источников энергии, внедрение безотходных технологий и процессов, дальнейшее законодательное регулирование в области охраны окружающей среда с учетом ухудшающейся экологической ситуации в стране и в целом на планете. Поэтому делается акцент на снижение выбросов в атмосферу кислотных газов (оксидов серы и азота) и золы; практическую стабилизацию к 2000 г. объемов выбросов в атмосферу парниковых газов, вызывающих повышенную обеспокоенность мировой общественности из-за опасности необратимого изменения жлиыата планеты.

Эти проблемы относятся и к промышленному тепяотехкологаческому комплексу, являющемуся одним из основных потребителей топливно-энергетических ресурсов и загрязнителем воздушного бассейна. Только одни высокотемпературные тешотехнологические комплексы по уровню потребления органического топлива конкурируют с ТЗС страны/196/. В то же время большое количество огяетезшнчеежкх згрбгзхов х^зктерйзуются ннзш-ш КПД топливо-

потребления (не превыщжшшм часто 10-35%), а также исключительно большими потенциальными возможностями экономии топлива и, следовательно, существенного снижения загрязнения окружающей среда! тепловыми и Ередными выбросами.

Уменьшение энергоемкости промышленного теплотехнологического комплекса требует не только повышения ресурсосбережения производственного процесса, но я сокращения непроизводственных потерь. В среднем по стране до 30% всей производимой тепловой энергии идет на непроизводственные нужды. Пончем значительная часть энеогии оасхопуется в системах отопления и венти-

А Д А '

ляцин (до 80% от непроизводственных энергоресурсов).

В связи с этим весьма перспективна экономия топлива при одновременном снижении всех видов загрязнений путем комплексного использования продуктов сгорания для технологических целей, теплоснабжения (в системах отопления, вентиляции, кондащонировання воздуха), очистки дымовых газов от пыли и вредных веществ и извлечения ценных компонентов, содержащихся в газовых выбросах. В основе этого способа систем лежит реализация принципов безотходной и безопасной для окружающей среды (экологически чистой) технологии.

Обычно это системы энергопотребляющих (тешюобменных) установок, в которых продукты сгорания последовательно направляются из высокотемпературного источника в средне- и низкотемпературные устройства для более полного использования теплоты.

Вопросы эффективного использования различных видов вторичных энергетических ресурсов (ВЭР), защиты окружающей среды н указанных выше проблем вашлн отражение в работах В.Н. Андрианова, И.З. Аронова, А.М. Бзюта-стова, А.Г. Блоха, В.М. Бродянского, Ю.С. Васильева, В.А. Григорьева, В.Л. Гусовсжого, СII Денисова, А.Е. Ершова, Н.Г. Залопша, Я.Б. Зельдовича, В.М. Зорина, Г.П. Иванова, В.П. Исаченко, А.Д. Ключникова, П.С. Коробкова,

Л.Й. Купермана, 1 -В. Лисиенко, В.С. Мастрнжова, Е.Л. МедшЕфитского,

Е.Е. Новгородского, Л.С. Попырина, В.Ф. Протасова, М.Б. Равича, А.Н. Радноно-ва. Ю.Й. Розенгарта. Н.А. Семененко. Я.И. Сигала. Л.Н. Снделысовсжого,

Тк { ^'тртгтгт/л'р ** тч.'т тт (т>р ттггг<г\т>1 к тттотгтто т.т ттг»чггтт^т ■зртлг^пт

Наибольшее распространение комплексные системы получили в целлюлозно-бумажной, химической, нефтеперерабатывающей областях промышленности и в черной металлургии, где используется от 40 до 100% тепловых БЭР. Тем не менее в ■ системах комплексного использования теплоты продуктов сгорания имеются значительные резерБЫ повышения эффективности их работы.

Так, при компоновке тешютехнологических установок не всегда принимаются экономически выгодные решения из-за субъективного мнения специалистов по вопросу ращюнальных способов и средств утилизации. Многообразные технологические процессы в различных отраслях промышленности требуют разработки спещтатЕьных схем утилизации в каждом конкретном случае с учетом определенных условий, что создает трудности при разработке оптимальных теп-лообменных систем, особенно при ручных расчетах. Отсутствует, как правило, взаимосвязь экономического, технологического, энергетического и зкспжуатаци-онного аспектов комплексных систем с задачами эффективной защиты окружающей среды.

Элементами установок комплексного использования теплоты продуктов сгорания являются теплообменники самых различных назначений, конструкций

и размеров. В этой области техники велась и ведется большая работа по их усовершенствованию /8, 12-16, 28, 49, 50, 78, 84, 85, 88, 94-100, 104, 109, 115, 117, 135, 139, 160, 161, 190, 196, 217, 223, 224, 226, 229, 231, 238, 239, 241-244, 250 -

252/.

Одна из основных причин недостаточного применения комплексных схем обусловлена также отсутствием компактных комбшшрованнььх теппообменнн-

•&-гуг> К тт*гатглтт тйот-р »уп? ттртпппртг'.! г^тттпт. тпгт-&ъх т.тг-ттггтгс.-э,тс=-этспсгсг т.

чальиого температурного потенциала продуктов сгорания, выходящих из техно-

логического агрегата, за счет сопряженного нагрева нескольких сред в комбинированном устройстве. В отличие от обычно применяемой последовательной установки отдельных теплообменников, которая не всегда экономически эффективна, предлагается использовать также параллельную схем}?, установку элементов устройства в виде кассет и их комбинаций.

Таким образом, разработка и исследование перечисленных выше проблем актуальны.

Целью работы является разработка комбинированных теплообменников и способов их применения в высокотемпературных теплотехнологических системах, обеспечивающих одновременно защиту окружающей среды и рациональное использование топливно-энергетических ресурсов.

Идея работы заключается в использовании способа сопряженного нагрева нескольких сред в кассетных комбинированных теплообменниках для повышения эффективности защиты окружающей среды и ресурсосбережения.

Методы исследований включали: анализ и обобщение результатов исследования, математическое и физическое моделирование процессов, происходящих в теплотехнологических системах, обработку экспериментальных данных методами планирования эксперимента и математической статистики, сравнение результатов с экспериментальными исследованиями, проведенными в лабораторных и промышленных условиях, а также с результатами, подученными другими исследователями.

Достоверность научных положений, еыеодов и рекомендаций обоснована выбором физических моделей, базирующихся на фундаментальных положениях теории горения, теплопередачи, аэромеханики, теории подобия, и подтверждена адекватностью теоретических положений, научных выводов результатам экспериментальных исследований других авторов, внедрением разработок автора в производство и их функционированием.

Научнея новизна работы, В результате теоретически и экспериментальных исследований решены следующие аспекты проблемы:

- определены основные принципы и характеристики, выявлены условия экономически эффективной и гарантированной (до норм ЦДК) защиты окружающей среды предложенным составом элементов комплексных установок, включающих комбинированные теплообменники;

- для повышения эффективности охраны воздушного бассейна и -энергоресурсосбережения вместо отдельных обычно, последовательно устанавливаемых теплообменников в системах комплексного использования продуктов сгорания применяется сопряженный нагрев нескольких сред в одной установке;

- разработаны и обоснованы обобщенный критерий оптимизации и показатели эффективности теплообменник систем, учитывающие взаимосвязь экологического, экономического, технологического, затратного и других аспектов применения комплексных установок;

- созданы основы оптимального построения тешютехнолопгаеских систем с определением типа и количества элементов, а также их места в структуре комплексной установки;

- разработаны программы рационального построения систем комплексного использования теплоты продуктов сгорания;

- создана система автоматизированного проектирования комбинированных теплообменников (САПР КТ);

- получены математические модели комбинированных утилизаторов и их элементов, описывающие особенности сопряженного теплообмена с различными формами и размерами поверхностей нагрева, переменными сечениями каналов для прохода продуктов сгорания и нагреваемых сред, на основе которых показана возможность построения имитационной модели любой консхшшшш

- создано новое поколение утилизаторов - компактных комбинированных теплообменников, выполненных в виде кассет, вставленных одна в другую, для повышения эффективности работы комплексных систем,

- разработаны энергосберегающие тешютехнологнческие системы, отличающиеся применением комбинированных теплообменншсов, обеспечивающие эффективное снижение загрязнений продуктами сгорания воздушного бассейна.

Практическое значение работы заключается в следующем:

- результаты диссертационной работы позволяют определить эффективность известных и вновь разрабатываемых комплексных систем, направленных на защиту окружающей среды и рациональное использование тепловых энергетических ресурсов;

- реализован сопряженный нагрев нескольких сред в одной установке позволяющий создавать компактные тештотехнологшеские системы с мжсимзль-ной разветвленностыо, что способствует внедрению комплексных установок в различных отраслях промышленности, а следовательно, и повышению эффективности защиты окружающей среды;

- создан пакет прикладных программ для отимального эколого-зкономического проектирования систем комплексного жткшьзования теплота продуктов сгорания, при помощи которого можно создавать любые проекты комплексных установок с учетом конкретных условий работы источников н потребителей теплоты;

- разработан пакет программ комбинированного теплообменника и его элементов для САПР КТ, позволяющий проводить неограниченное число имитационных экспериментов с минимальной трудоемкостью (по сравнению с условиями лабораторий и заводов);

- созданы конструкции кассетных утилизаторов и их элементов для применения в тешютехнолошческих системах, новизна которых подтверждена рядом авторских свидетельств на изобретения;

- внедрена ожхтно-прошпшшнная установка (огневой стенд) для исследования ташообменннков и комплексных установок в целом (ах. № 1073543);

- разработаны, исследованы и внедрены теплообменные системы для теп-яотехнологий, отопления,, вентшшщи и кондиционирования воздуха при различных способах использования комбинированных теплообменников на 20 машиностроительных и металлургических заводах в период 1983-1992 гг.;

- результаты исследований содержатся в двух монографиях и включены в четыре учебных пособия, используются прк переподготовке руководителей и специалистов промышленных предприятий, а также для обучения студентов машиностроительных специальностей по вопросам безопасности жизнедеятельности, защиты окружающей среды и энергосбережения:

Реализация результатов работы осуществлена в виде следящих нормативных и учебных материалов:

- рекомендации Мини