Повышение эффективности энергосбережения при работе нагревательных печей

А. М. Парамонов, Е. М. Резанов, А. В. Кушнаренко

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ ПРИ РАБОТЕ НАГРЕВАТЕЛЬНЫХ ПЕЧЕЙ

Предложена методика определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в термических печах с радиационными трубами. Разработан алгоритм, для ее определения, исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на рекуператор и топливо.

Обоснована целесообразность применения разработанного алгоритма для определения экономически наивыгоднейшей температуры подогрева воздуха в рекуператоре, идущего на горение топлива, при проектировании и эксплуатации термических печей с радиационными трубами. Использование данных разработок позволяет повысить тепловую эффективность и экономичность их работы.

Эффективность использования топлива в термических печах повышается при сочетании мероприятий по обеспечению полного его сгорания при минимальном избытке воздуха с утилизацией теплоты уходящих газов. Высокотемпературный подогрев воздуха в рекуператоре печи - основное мероприятие по повышению тепловой эффективности печей, позволяющее повысить их термический КПД, снизить удельный расход топлива с одновременным увеличением удельной производительности печи. Однако это ведет к увеличению затрат на теплоутилизирующие устройства, поэтому целесообразно получить оптимальную температуру подогрева воздуха, идущего для горения топлива в термических печах с радиационными трубами.

Сравнительная эффективность инноваций, согласно положениям методики определения экономической эффективности капитальных вложений, служит в системе технико-экономических расчетов в качестве основной их количественной оценки при выборе оптимального варианта, характеризуемого наименьшими затратами общественного труда, которые определяются выражением [ 1 ]:

3 = С + Ря - К,

где С - изменяющиеся годовые эксплуатационные расходы, р./год; Рн - норма дисконта инвестиций, Угод; К — единовременные капитальные вложения, р.

Эксплуатационные расходы при нагреве металла складываются из двух групп затрат: энергетических, связанных с использованием топлива, и неэнергетических состоящих из прочих видов затрат, связанных с осуществлением технологического процесса нагрева [2].

Группа неэнергетических затрат включает в себя затраты на подачу дутьевого воздуха для горения топлива и на отвод дымовых газов за пределы производственных зданий; на подачу и отвод охлаждающей воды, обеспечивающей надежность работы элементов нагревательной печи; на заработную плату производственного персонала; на текущий ремонт печного оборудования; на амортизационные отчисления; на обеспечение нормальных санитарно-гигиенических условий труда.

Из всех текущих расходов при определении оптимальной температуры подогрева воздуха для горения топлива переменной величиной являются затраты на топливо, на подачу дутьевого воздуха и на отвод дымовых газов за пределы печи. Величины отчислений на реновацию, капитальный и текущий ремонт принимаются пропорциональными капитальным вложениям.

Выражение для определения величины суммарных дисконтированных затрат по рекуператору и расходу топлива примет вид:

Зр =

5Т = Ст • В,

06301360

Ям =пк,

5в = Сэ /7 АЛ^,д. Яр,

К = Рр • Яр+ С, д. • X • АТУт. д. • Яр,

ст = Рт  к

где - годовые затраты на топливо, р./год; £ам ~ годовые отчисления на амортизацию, р./год; - годовые затраты на подачу дутьевого воздуха для горения топлива и отвод дымо-

р. с

вых газов за пределы печного агрегата, р./год; Ст - годовая стоимость топлива, —--; В -

м год

о

расход топлива, м/с; Я - норма амортизационных отчислений, Угод; Сэ - стоимость электроэнергии, р./(Вт-с); И - время работы печи в течение года, с/год; А/Ут.д - мощность, затрачиваемая на обслуживание 1 м поверхности нагрева рекуператора (на преодоление газового и

2 2 воздушного сопротивления), Вт/м ; Яр - поверхность нагрева рекуператора, м ; Рр - капита-

9 9

ловложения в сооружение 1 м поверхности нагрева рекуператора, р./м ; Ст д. - стоимость тягодутьевых машин, р./Вт; 2- коэффициент запаса, включающий в себя резерв по расходу и давлению тягодутьевых машин и мощности электродвигателя; Рт - полная расчетная стой-

3 3

мость 1 м натурального топлива, р./м .

Подставив выражения (3) - (6) в уравнение (2), получим:

Зр = Сх • В + Ср • Яр,

2 2 где Ср - годовая стоимость 1 м поверхности нагрева рекуператора, р./(м -год),

^н + Я;+АЛ^т.д. /7 С,д. •

Значение оптимальной температуры подогрева воздуха для конкретной температуры уходящих газов на выходе из радиационной трубы печи можно найти исходя из минимума суммарных дисконтированных затрат на рекуператор и топливо Зр, при приравнивании к нулю частных производных функции по оптимизируемому параметру [3]:

д'1 дБ дН

где 4 - температура воздуха на выходе из рекуператора, °С.

Выражение для расхода топлива получим из уравнения теплового баланса печи [4]:

& + а + а, + а,к, = ем + 0Ух + 0х.г. + Q

м.г. 1 ат 1 ^¿охл 1 ^¿изл 1 ^ак?

£>х = £0нр; (12);

дух = В Ст (т- Гг; (15);

САВ  I] • Я: 16);

дмг. = в  днр  я2. 17)

где <2х - химическая теплота топлива, Вт; Рв и О, - теплота, вносимая подогретым воздухом и с подогретым топливом, Вт; (Зэкз - теплота экзотермических реакций, Вт; <2М - теплота, необходимая для нагрева металла, Вт; Оух и Охл - потери теплоты с уходящими продуктами сгорания топлива и от химической неполноты сгорания топлива, Вт; <2М Г. и <2кл - потери теплоты от механической неполноты сгорания топлива и теплопроводностью через кладку печи,

Вт; <2Изл и 0тр - потери теплоты излучением через открытые окна и щели и расходуемой на нагрев транспортных средств и тарных устройств, Вт; 0ат и 0ОХЛ - потери теплоты с защитной атмосферой, покидающей рабочее пространство печи и водоохлаждаемыми элементами, Вт; <2ак - потери теплоты на аккумуляцию кладкой при выводе нагревательной печи из холодного состояния после длительного простоя на стационарный температурный режим, Вт; <2НР - низшая теплота сгорания топлива, Дж/м3; Св , 4 -средняя объемная теплоемкость и температура подогретого воздуха, поступающего к горелочным устройствам печи, Дж/(м -К),

3 3

°С; Ув - количество воздуха, необходимое для сжигания единицы количества топлива, м /м ;

/ / 3

Ст, /V -средняя объемная теплоемкость и температура топлива, Дж/(м -К), °С; Сг - температура и средняя объемная теплоемкость уходящих из радиационных труб печного агрегата

3 3 3

газов, °С, Дж/(м -К); Ут - количество дымовых газов на единицу количества топлива, м /м ; Я - теплота несгоревшего СО в уходящих газах, Дж/м ; Яг - доля потерь от механической неполноты сгорания.

Подставив выражения (12) - (17) в уравнение (11), получим:

В  а,р + В  С:  С  К + В  С/ • + 0экз = = 0М + В • Сг • и  К + В  К  Я + В • 0НР • Я2 + 0кл+ 0

ат 1 ^охл 1 ^изл 1 К^ак-

>к

Температура воздуха ¿в , поступающего к горелочным устройствам печи, связана с температурой воздуха на выходе из рекуператора, равенством:

Гв  Св* • С = Гв  с/  /„ - Гв  с/  ¿4,

где <5/в - падение температуры воздуха на пути от рекуператора до горелочных устройств печи вследствие потерь теплоты в окружающую среду, °С; Св , - средняя объемная теплоемкость и температура воздуха на выходе из рекуператора, Дж/(м -К).

Подставив формулу (19) в уравнение (18), получим выражение для определения расхода топлива на печной агрегат с радиационными трубами:

В={Е + С*.УШ.<У

где Е = 0„р

Д 0м 0кл 0тр 0ат 0охл 0изл 0ак ~ 0экз-

С учетом условия установки рекуператора на каждой радиационной трубе печного агрегата выражение для определения расхода топлива на одну радиационную трубу примет вид:

В = П,{Е + С«.УЛУ

где пт - число радиационных труб в печи, шт.

Величина поверхности нагрева Щ рекуператора определяется из выражения [5]:

В -77 -V {С" -1" -С' -1')

т^г _ _I в в у в в_в в / / О/14

К -£Аг •и

где /;в - коэффициент, учитывающий потери воздуха в рекуператоре; Св, - средняя объ-

о

емная теплоемкость и температура воздуха на входе в рекуператор, Дж/(м -К); К - коэффи-

2

циент теплопередачи,

Вт/(м -К);

£д/ - поправочный коэффициент при сложной схеме теплообмена; V - средний температурный напор, °С.

Средний температурный напор о в рекуператоре определяется по приближенной формуле [6]:

о /1,7, Ь) Б и, /„ ),

06301360

где ¿г, ¿г - температура газов на входе и выходе из рекуператора, °С; А и Б - коэффициенты, зависимые от соотношения (V - - 4 ), и эти коэффициенты имеют численные значе-

ния.

В зависимости от соотношения (V - tк)/(tv - ) коэффициенты А и Б принимают следующие численные значения:

при (7, - /р.; = 1 - 3 А = 0,43, Б = 0,57;

при (7, Г/, ф = 3^6А= 0,35, 5 = 0,735.

Принятое допущение дает отклонение от среднелогарифмического значения величины о не более чем на 2 %.

Температура газов на входе в рекуператор 4 определяется из выражения [7, с. 94]:

Сг'

где ¿>4 - падение температуры газов на пути до рекуператора вследствие потерь тепла в окружающую среду, °С; 0 - коэффициент, учитывающий разбавление уходящих газов воздухом на пути до рекуператора.

Температура уходящих газов на выходе из рекуператора 4 определяется из уравнения теплового баланса [7, с. 96]:

С' V -ч

^ г ^ / в / В \ В В В В/

т -УТ -Т]т •Сг//(1+ 0) '

С

// Г

где Сг, Сг - средняя объемная теплоемкость газов на входе и выходе из рекуператора, Дж/(м -К);

т - коэффициент, учитывающий выбивание продуктов сгорания из радиационной трубы; //г - коэффициент, учитывающий тепловые потери через ограждающие стенки рекуператора в окружающею среду.

Подставив выражение (27) в уравнение (25), получим:

V и IV- /„ .

где

С1 V -п • С'

и = (А^ + Б)( + (-в /в,, в-

ж =

А-Гв-11в-С]

т -К -с '

+ Б.

Подставив выражения для расчета В (23) и о (28) в уравнение (24), получим искомую зависимость Яр =/(7в ) в виде:

н =

Взяв первые производные по /в из выражений для определения расхода топлива (23) и поверхности нагрева рекуператора (31), получим:

8В_

а!

д<-к

8Н\ а7

д-ъ-у^м + ь]

п-К-е&1

,// \ 2 >

где

Ь = С^ -Е -и + - У,-и - Ж - Б).

Подстановка выражений (32) и (33) в уравнение (10) позволяет получить уравнение для определения значения оптимальной температуры подогрева воздуха ¿'вот, подаваемого на горение топлива:

а-11'1 + </ = 0,

где

„ _-Ъ± \!ь2 -4-а -с!

^ВОПТ '

2 • а

Л = С -п

р

/ ^ /

с:-Е-и + -гв-и -ж -Е)

- К  е , -с'' - с -и 1.

В качестве расчетного принимается выражение:

// -Ь + \/Ь2 - 4 • а • <1

{ I 1

поскольку значения величины оптимальной температуры подогрева воздуха гВОпт, вычисленные по выражению

к

Ь - л]ь2 - 4-а -с!

2 • а

как показали проведенные расчеты, всегда отрицательные, что не имеет физического смысла.

На основании полученной матеиатической модели выражений разработан алгоритм определения оптимальной температуры подогрева воздуха на выходе из рекуператора для конкретной температуры уходящих газов, на выходе из радиационной трубы печного агрегата.

Проведенные расчетные исследования показали, что значение оптимальной температуры подогрева воздуха ¿'вот, определенное по выражению (41), отвечает минимуму целевой функции (рисунок).

Повышение температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационной трубе термической печи, приводит к возрастанию температуры горения топлива и, как следствие, к повышению температуры стенки трубы. Для жаростойких радиационных труб, выполненных из легированных сталей, допустимая температура стенки 1050 - 1150 °С, для карбидокремниевых - 1250 - 1350 °С.

При определении оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в радиационных трубах термических печей, необходимо вводить ограничение, выраженное неравенством:

I <е

где - допустимая температура стенки радиационной трубы °С; 1ст - температура стенки на начальном участке радиационной трубы при подогреве воздуха, идущего для горения топлива, °С.

06301360

3,2

3

5 _Р_

ГОД

3,

3

2,9

2,8

2,7

2,6 Р1ШП

2,5 2,4

зР=АО

/" I в.опт |

100

200

300

400

500

°С

700

Зависимость дисконтированных затрат по рекуператору и топливу от температуры подогрева воздуха

Выражение для теплового потока, воспринятого внутренней стенкой радиационной трубы, имеет вид [8]:

О = Ол +0

где (2гст ~~ тепловой поток, переданный газом стенке излучением, Вт; ст - тепловой поток, переданный газом стенке конвекцией, Вт.

Тепловой поток, переданный газом стенке радиационной трубы излучением, вычисляется по выражению [4, 8], Вт:

(2гл1 О) ' £пр ' ^с

вн

пр ~ ст

л. 100,

- а,

Т,

ст1

чЮОу

2 тг4

где С0 - коэффициент излучения абсолютно черного тела, Вт/(м -К ); £пр - приведенная степень черноты стенки; £г - степень черноты излучаемого газа; ат— поглощательная способность газа при температуре стенки радиационной трубы; Тт - теоретическая температура горения топлива в радиационной трубе, К; Тст1 - температура внутренней поверхности радиационной трубы, К; /7С'1!Н - площадь внутренней поверхности радиационной трубы, м2.

ИЗВЕСТИЯ Транссиба 73

Теоретическую температуру горения топлива можно определить по значению калориметрической температуры горения, вводя поправочный коэффициент [9]:

=<Р'К>

где ср' - поправочный коэффициент, принимается в зависимости от калориметрической температуры горения, с учетом влияния эндотермических процессов, снижающих температуру горения вследствие диссоциации продуктов сгорания; - калориметрическая температура горения топлива, °С.

В соответствии с рекомендациями [10]

о * /

К — К + • + х2 • /йг

где ^ - калориметрическая температура горения топлива без подогрева воздуха, определяемая при коэффициенте избытка воздуха а > 1; - коэффициент приращения калориметрической температуры горения при нагреве воздуха на 1 °С, °С; Х2 ~ коэффициент приращения калориметрической температуры горения при нагреве топлива на 1°;

Тепловой поток, переданный газом стенке за счет конвекции, составляет 10 15 % от

От.ст [4], поэтому выражение для определения теплового потока, воспринятого внутренней стенкой радиационной трубы, можно записать так:

ат=1Д5-с0-впр^ст

т

т

100

100

Тепловой поток, передаваемый нагреваемому металлу от радиационной трубы, можно определить из выражения [8]:

0 .^общ.^

ПО IV

'Тр пр

т.

\

ст2

чЮ0у

г„

чЮОу

2 т/-4\. \т/ общ

где спр - приведенный коэффициент излучения, Вт/(м -К ); ^Р0 щ - общий угловой коэффициент от радиационной трубы на металл; - поверхность нагреваемого металла, м2; Тст2 -

температура внешней поверхности радиационной трубы, К; Тм - температура нагреваемого металла, К.

На начальном участке радиационной трубы можно принять, в первом приближении, следующие допущения: аг =1 и Тст = Тст1 = Тст2. В соответствии с принятыми допущениями и

рассматриваемым теплообменом в рабочем пространстве печи, обогреваемом радиационными трубами, получим:

1 1С г р /7е"

' Ьпр ' ст

{ гр / гр

100

л

ст 100

с -Ч*

пр

общ

к.

Т V (т ^

Гт \

ст 100

100

Из уравнения (50) получим выражение для определения температуру стенки на начальном участке радиационной трубы:

06301360

Т. = 100'

f т \л ( т ^

100

+ с -W^-F

пр м

vlOOy

1 15 С •£ • FBH + с .Ч>общ -F

1,1 J V^Q &пр J ст т Lnp Т 1М

Реализация разработанного алгоритма применительно к конкретным условиям эксплуатации печного агрегата с радиационными трубами производительностью 400 кг/ч и температурой нагрева металла 870 °С на одном из предприятий г. Омска, использующих в качестве топлива природный газ с QJ3 = 34,5 МДж/м3, Рт = 2,5 р./м3, h = 4300 ч/год, дала следующие результаты: /7В0Пт = 382 °С; 3pmin = 2,554-105 р./год. Удельный расход топлива на нагрев изделий, подвергаемых термической обработке, уменьшился на 35 %. Ожидаемый экономический эффект от внедрения составляет 252 тыс. р. в год.

Результаты предложенного алгоритма определения оптимальной температуры подогрева воздуха, идущего для горения топлива в термических печах с радиационными трубами, подтверждают целесообразность его использования при проектировании и эксплуатации термических печей с радиационными трубами.

Список литературы

1. Зайцев, Н. J1. Экономика организации [Текст] / Н. J1. Зайцев. - М.: Экзамен, 2004. -624 с.

2. Некрасов, А. С. Экономика энергетики процессов нагрева [Текст] / А. С. Некрасов, Ю. В. Синяк. - М. : Энергия, 1975. - 136 с.

3. Батищев, Д. И. Методы оптимального проектирования [Текст] / Д. И. Батищев. - М.: Радио и связь, 1984. - 248 с.

4. Тымчак, В. М. Расчет нагревательных и термических печей [Текст] / В. М. Тымчак,

B. J1. Гусовский. -М. : Металлургия. 1983. - 480 с.

5. Тебеньков, А. М. Рекуператоры для промышленных печей [Текст] / А. М. Тебеньков. -М.: Металлургия, 1975. - 222 с.

6. Бакластов, А. М. Проектирование, монтаж и эксплуатация теплоиспользующих установок [Текст] / А. М. Бакластов. -М.: Энергия, 1970. - 568 с.

7. Парамонов, А. М. Повышение тепловой эффективности и экономичности работы нагревательных печей [Текст] / А. М. Парамонов, В. В. Крайнов. - М.: Спутник +, 2006. - 225 с.

8. Еринов, А. Е. Промышленные печи с радиационными трубами [Текст] / А. Е. Еринов, А. М. Семерин. - М.: Металлургия, 1978. - 280 с.

9. Кривандин, В. А. Металлургические печи [Текст] / В. А. Кривандин, Б. J1. Марков. - М.: Металлургия, 1977. - 463 с.

10 Ашуров, С. А. Подсчет температуры горения природного и сжиженного газов [Текст] /

C. А. Ашуров. // Разовая промышленность. - 1979. -№1. - С. 3-9.