Использование тепловой энергии уходящих газов

Нагревательные термические и другие печи, а также сушильные установки в промышленности являются одними из основных потребителей топлива, причем в них, как правило, расходуется мазут и газ. В подавляющем большинстве случаев промышленные печи работают с весьма низким КПД, который в производственных условиях чаще всего не превышает 15— 25%, т. е. в 4—5 раз ниже, чем, например, КПД современных парокотельных установок [4, 16, 22]. Низкий КПД обусловливается в основном очень большими тепловыми потерями с уходящими дымовыми газами. Лучшим методом повышения КПД печей, а следовательно, и экономии топлива является возврат в печь (или сушило) части тепловой энергии, содержащейся в уходящих дымовых газах, путем подогрева в рекуператорах или регенераторах воздуха, используемого для горения топлива, а также горячего газа. Подогрев воздуха обеспечивает не только экономию топлива, но и повышает температуру продуктов сгорания топлива, что способствует ускорению нагрева металла или других материалов и делает возможным применение новых способов нагрева (например, в инертной среде).

Рис. 13. Схема включения рекуператора или регенератора

1 — горелка; 2 — печь или сушило; 3 — рекуператор или регенератор; 4 — вентилятор вторичного воздуха; 5 — дымосос; 6 — дымовая труба

В настоящее время применяются различные типы рекуператоров и регенераторов, устанавливаемых непосредственно за печами или сушильными установками (рис. 13). За печами устанавливаются регенераторы с кирпичной насадкой и переключающимися камерами. Для обеспечения высокотемпературного нагрева воздуха могут устанавливаться регенераторы с падающей насадкой [9].

Тепловые потери с уходящими газами

где V_ух — объем дымовых газов, уходящих из печи или сушила, м³; С_ух — объемная теплоемкость газов, кДж/(м³*К); t_ух — температура уходящих газов, °С.

Тепловые потери с уходящими газами составляют 60—75 %. Средняя температура уходящих дымовых газов в печах 500—1350°С; в сушильных установках — 150 — 450 °С. Экономию топлива в зависимости от его теплоты сгорания и различных температурных условий работы печи (сушила) и охладителя уходящих газов можно определить по следующей формуле (в процентах по отношению к расходу топлива при работе без подогрева воздуха):

где — удельная энтальпия дымовых газов в топке (значение величины можно получить путем деления теплоты сгорания топлива на объем дымовых газов, получающихся при сжигании 1 кг жидкого топлива или 1 м³ газа), кДж/м³; — удельная энтальпия дымовых газов по выходе из печи (сушила), кДж/м³; η — отношение энтальпии подогретого воздуха к энтальпии уходящих из печи дымовых газов (степень рекуперации тепловой энергии);

здесь L и V — соответственно объем воздуха и дымовых газов, приходящихся на 1 кг жидкого или на 1 м³ газообразного, топлива; и — энтальпия нагретого воздуха, поступающего в печь, и дымовых газов, покидающих ее; L = αL₀ и V = V₀ + L₀ (α -1) (L₀ и V₀ — теоретические объемы воздуха и дымовых газов при α = 1), м³.

Формулу (11) можно представить в другом виде:

где —теплота сгорания топлива, кДж/кг, кДж/м³; — удельная энтальпия подогретого воздуха, отнесенная к единице объема или массы топлива, кДж/м³, кДж/кг; - удельная энтальпия дымовых газов, уходящих из печи, отнесенная к единице объема и массы топлива, кДж/м³, кДж/кг.

Топливный эквивалент единицы тепловой энергии подогретого воздуха может быть определен по следующей формуле:

где — суммарные тепловые потери с уходящими дымовыми газами (физическая и потенциальная химическая теплота дымовых газов), %; например, если , то .

Рис. 14. Экономия топлива при Рис. 15. Экономия топлива при подогреве воздуха в печах и сушилах,

подогреве воздуха в печах, отап- отапливаемых природным газом и мазутом (α=1,15)

ливаемых мазутом, при различ- _____________________________________________________________

ных коэффициентах избытка воз-

духа α и температуре уходящих

дымовых газов 800°С (- - -) и

1400°С (___).

Следует отметить, что практически экономия, полученная при подогреве воздуха (рис. 14, 15), несколько выше, чем определяемая по формуле (11),так как при определении по этой формуле не учитывают ряд явлений, сопровождающих применение подогретого воздуха, например улучшение качества горения топлива, снижение содержания окиси углерода в уходящих дымовых газах, а также повышение производительности печи.

Рассмотрим влияние подогрева воздуха на производительность печи. Производительность печи

где —количество теплоты, передаваемой поверхности нагреваемого материала; — прирост энтальпии нагреваемого материала на единице его количества с учетом разности температуры по толщине;

где В — расход топлива в единицу времени; , — начальная энтальпия и энтальпия уходящих газов, отнесенные к единице топлива; — КПД камеры сгорания (рабочего пространства печи), учитывающий тепловые потери в окружающую среду.

В плавильных печах производительность определяется внешним теплообменом, а в нагревательных печах при нагреве массивных тел теплопередачей — ограничивается теплопроводностью нагреваемых материалов (при переменной температуре нагреваемой поверхности):

где — коэффициент лучепропускания абсолютно черного тела; Н — радиационная поверхность, м²; — условный коэффициент загрязнения поверхностей нагрева всевозможными отложениями; — приведенная степень черноты; ε=ε_мε_п(ε_м и ε_п — степень черноты поверхности нагреваемого материала и печного пространства); — теоретическая температура сгорания топлива, К.

Из написанной формулы видно, что количество переданной лучепропусканием тепловой энергии от печного пространства нагреваемому материалу сильно зависит от теоретической температуры горения , которая, в свою очередь, при заданном топливе определяется условиями горения и степенью подогрева воздуха (значительно увеличивается с ростом температуры подогреваемого воздуха);

где — объемная теплоемкость воздуха, кДж/(м³*К); — температура воздуха, поступающего в топку или горелку, °С;

где — конечная температура материала, К; — температура газов, уходящих из рабочего пространства печи, К-

Следовательно, с ростом температуры подогрева воздуха увеличивается , а соответственно и производительность печи.

Более точное выражение для определения экономии топлива в процентах от расхода топлива в результате подогрева воздуха:

где —доля газов, проходящих через рекуператор или регенератор (коэффициент учитывает выбивание газов из печи); — коэффициент, учитывающий потери тепловой энергии рекуператором; , —коэффициенты, учитывающие тепловые потери в окружающую среду, в процентах от тепловой энергии, расходуем мой на нагрев металла, на дутье и др.