УДК 536.24:662.92 СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ И АНАЛИЗ ЭФФЕКТИВНОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ В ТОПЛИВНЫХ ПЕЧАХ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНЫХ РЕКУПЕРАТОРОВ Часть 1 Докт. техн. наук, проф. СОРОКА Б. С., асп. ВОРОБЬЕВ Н. В., канд. техн. наук ЗГУРСКИЙ В. А. Институт газа НАН Украины Современные подходы к оценке состояния проблемы. Методы по- вышения эффективности использования топлива в печах. Из числа ос- новных топливоиспользующих агрегатов промышленности и энергетики – котлов и печей – первые (котлоагрегаты и парогенераторы) отличают- ся высокой эффективностью использования топлива (КПД, как правило, выше 90 %, а в случае котлов с конденсацией – выше 100 % по низшей те- плоте сгорания рнQ [1–3]), вторые (промышленные печи) обычно характе- ризуются существенно более низким КПД [4]. Анализ современного со- стояния проблемы использования топлива в нагревательных печах приве- ден в [5], где рассмотрены основные пути экономии топлива в тепло- технологических агрегатах. Состояние проблемы использования топлива в печах для нагрева и термообработки металла, а также отдельные направ- ления улучшения ее состояния (по данным промышленности Беларуси) обобщены в [6]. В статье Б. С. Сороки [5] (по данным ведущих зарубежных компаний) критически проанализированы современные способы сжигания топлива, которые направлены на совершенствование систем отопления, экономию топлива, сокращение времени обработки черных и цветных металлов и реализуются путем увеличения потенциала топливо-окислительной смеси при высокотемпературном подогреве и/или обогащении воздуха-окисли- теля кислородом. Современные тенденции заключаются в объединении в одном аппарате горелочных и теплообменных устройств и разработке на этой основе рекуперативных [7–9] (рис. 1) и регенеративных горелок [10, 11] (рис. 2), а также радиационных труб с такими устройствами. В рамках высокоэффективной технологии сжигания топлива с использова- нием в качестве окислителя кислорода или воздуха, обогащенного О2 [12], широкое признание получают DFI (DirectFlameImpingement) – технологии, обеспечивающие повышение эффективности Oxy-fuel систем сжигания, а также FLOX – метод сжигания топлив различного состава, изначально по- лучивший распространение в связи с экологическими преимуществами, а затем и благодаря теплотехническим достоинствам метода. Последние годы характеризуются тенденцией углубленной утилизации теплоты продуктов сгорания не только в котлах и парогенераторах, но и в промышленных печах. 60 Рис. 1. Рекуперативная горелка фирмы ECOMAX® [13] а б Рис. 2. Регенеративная горелка фирмы BLOOM[10]: a – установка горелки на термической печи; б – принципиальная схема регенеративной горелки Расчеты эффективности топливоиспользующих агрегатов – определе- ние КПД использования топлива η f и теплоты ηH – проводятся по аналогии с теоремой Карно для «идеальной печи» [4]. В соответствии с теоремой Карно коэффициент полезного действия обратимого теплового двигате- ля [13] – функция температур горячего и холодного резервуаров (источ- ников) 2 2 2 1 1 1 η = 1 1 ( , ) 1 , Q Tf T T Q T − = − = − (1) где T1 и Т2 – абсолютные температуры горячего и холодного резервуаров. Коэффициент полезного действия, равный 1, определяет абсолютный нуль рассматриваемой шкалы температур. Наш подход распространяется на случай химически реагирующего (го- рячего теплоносителя – продуктов сгорания), а КПД в нашем случае рас- сматривается как КПД использования топлива и теплоты α , α , η 1 .fl exH fl T I I ∆ = − ∆ (2) Съемный Газовое сопло Воздушные патрубки Регенератор 61 В качестве базового параметра для «горячего» источника рассматрива- ется избыточная полная энтальпия 1 кг продуктов сгорания α ,fl TI∆ при тео- ретической температуре горения топливо-окислительной смеси Т fl,Т = TT; в качестве параметра, характеризующего «холодный источник» (прием- ник), – избыточная полная энтальпия продуктов сгорания в печи α ,fl exI∆ при технологической температуре – температуре продуктов на выходе из печи Tfl,ex. Если в современных котлах утилизация теплоты углубляется за счет использования конденсации теплоты продуктов сгорания (понижение по- тенциала холодного источника в цикле Карно [13]), то для промышленных печей рост энергетического КПД обеспечивается повышением темпера- турного уровня теплоносителя (продуктов сгорания) путем поднятия по- тенциала горячего источника в цикле Карно. Оценка подогрева теплоносителя и возможностей утилизации теплоты уходящих из печи продуктов сгорания путем подогрева компонентов горе- ния, чаще всего – воздуха-окислителя, выполняется с использованием эн- тальпийного анализа по предложенным методам [14–16]. С этой целью бы- ла разработана оригинальная компьютерная программа определения соста- вов и свойств равновесных продуктов сгорания FUEL под руководством проф. Б. С. Сороки с использованием подходов, развитых в Институте газа НАНУ еще в 60-е годы прошлого века [17]. За прошедшие годы программа была переработана, насыщена исходными термодинамическими свойст- вами многих десятков индивидуальных веществ в системе элементов: C, H, O, N, S – для расчета сжигания минеральных топлив (fossilfuels). Несмотря на высокую точность современных методов и расчетно- компьютерной базы термодинамического анализа эффективности исполь- зования топлива при различных способах повышения потенциала топливо- окислительной смеси (подогрев и минимизация избытка окислителя, обо- гащение воздуха кислородом, добавки к горючей части компонентов с вы- сокой теплотой сгорания), соответствующий подход с использованием представлений о полной энтальпии веществ как характеристики, учиты- вающей и физическую, и химическую составляющие (учет теплоты обра- зования компонент из базовых элементов), не имеет достаточного распро- странения среди специалистов, занятых в промышленной теплоэнергетике и печной теплотехнике. В результате до последнего времени как в отечественных работах [18], так и в зарубежной литературе [19] вместо фундаментальной характери- стики топливо-окислительной смеси – теоретической (адиабатной) темпе- ратуры горения ТТ, учитывающей протекание реакций диссоциации- рекомбинации для продуктов сгорания, используются понятия об оценоч- ной «калориметрической» температуре горения ТС. При этом ТС линейно связывают с подогревом компонентов горения [18, 19], прежде всего воздуха-окислителя Та, в то время как отклонение от такой зависимости для ТТ тем сильнее, чем вышеТа: ТС = ТС,0 + γТа; (3) 62 (ТТ – ТТ,0) < (ТС – ТС,0), (4) где γ ≈ const; индекс «0» при ТС,0 и ТТ,0 относится к температурам горения холодных горючих смесей: Та,0 = 298 К. Из (4) получим общую зависимость: ТТ<ТС. (5) Любые расчеты экономии топлива и определения свойств продуктов сгорания, связанные с использованием значения ТС вместо ТТ, являются ошибочными и в лучшем случае могут служить в качестве ориентировоч- ных оценок. Возрастание ТТ топливо-окислительной смеси фиксированного состава достигается предварительным подогревом окислителя, обычно воздуха го- рения, а в случае низкокалорийных газовых топлив – подогрева обоих компонентов горения: воздуха и газа. Зависимости теоретической температуры горения ТТ от подогрева ком- понентов топливо-воздушной смеси представлены на рис. 3. Рис. 3. Зависимость теоретической температуры горения TT горючих газов с воздухом-окислителем от температуры подогрева компонентов горения. Кривые: 1 – природный газ, подогрев воздуха-окислителя до температуры Ta; 2 – горючий газ: 70 % доменного газа +30 % природного газа, подогрев только воздуха до Ta; 3 – горючий газ: 70 % доменного газа +30 % природного газа, подогрев обоих компонентов горения: воздуха – до Ta; газа – до Ta = Tbfg. Коэффициент избытка воздуха α = 1,05 Здесь сопоставлены значения ТТ при сжигании природного газа и при- родно-доменной смеси с воздухом-окислителем. Для природного газа оце- нивается влияние подогрева воздуха, для доменного – рассматриваются два варианта: подогрев только воздуха и подогрев обоих компонентов го- рения: как воздуха, так и горючей смеси, состоящей из 70 % (об.) доменно- го газа и 30 % (об.) природного газа. Состав доменного газа, используемый при смешении с природным газом, следующий, % (об.): [CO] = 20; [H2] = 2; [CO2] = 24; [N2] = 54. Природный газ рассматривается состоящим из ме- тана [CH4] = 100 %. Очевидно, что для случая природного газа с высоким стехиометриче- ским числом (объемным Lst = 9,52 м3/м3; массовым Ωst = 17,16 кг/кг) целе- TT = idem TT, К 63 сообразен подогрев одного воздуха окислителя, тем более что подогрев углеводородов протекает с их крекингом – эндотермической реакцией – и сопровождается сажеобразованием. Подогреву воздушного дутья при сжигании природного газа сопутствует интенсивная, возрастающая с по- вышением температуры ТТ диссоциация продуктов сгорания. Поскольку диссоциация представляет эндотермические реакции, то рост ТТ в области высоких температур отстает от увеличения Та в отличие от хода функции ТС(Та) (формула (3)). Иная ситуация складывается в случае использования в качестве горю- чего низкокалорийных забалластированных газов. Такое топливо характе- ризуется малым стехиометрическим числом (для рассматриваемого домен- ного газа Lst = 0,52 м3/м3; Ωst = 0,47 кг/кг; для рассматриваемой на рис. 3 природно-доменной смесиLst = 3,22 м3/м3; Ωst = 3,4 кг/кг), и для поддержа- ния ТТ = idemпо отношению к природному газу необходим одновременный подогрев топлива и окислителя. На рис. 3 показано, что для обеспечения ТТ соответствующей минимальной, но широко используемой в пе- чах различного назначения, работающих на природном газе, температуре подогрева воздуха Та = 300 ºС (573 K) в случае природно-доменной сме- си рассматриваемого состава соответствует подогрев воздуха Ta = 990 К. Подогрев обоих компонентов горения позволяет ограничить температуру до Ta = Tbfg = 813 К. Подогрев топлива и окислителя осуществляется в ходе утилизации теп- лоты продуктов сгорания (первичный теплоноситель), передающих тепло- вую энергию воздуху (газу) – вторичному теплоносителю. Этот процесс производится в рекуперативных и регенеративных теплообменных аппара- тах, обычно в зависимости от технологической температуры в печном аг- регате. Регенеративные теплообменники в основном используются в высо- котемпературных печах, однако и в этом случае могут применяться реку- ператоры – как более простые в управлении аппараты при условии выбора соответствующего типа устройства, его конструкции и материала теплооб- менных поверхностей. Основные типы существующих рекуперативных теплообменников. Высокотемпературные рекуператоры представляют основной тип тепло- обменников, служащих для централизованной утилизации теплоты про- дуктов сгорания (уходящих газов) в промышленных печах [5] (рис. 4а) и технологических схемах воздушной [20] (рис. 4б, в) и паровой [21] гази- фикации (рис. 4г). Такие рекуператоры достаточно условно разделяются на аппараты конвективного и радиационного типов. В связи с широким рас- пространением в последние десятилетия рекуперативных горелочных уст- ройств [7–9] основное внимание при создании эффективных рекуператоров как высокотемпературных утилизаторов теплоты уделялось совершенство- ванию способов и устройств интенсификации конвективного теплообмена в системах «продукты сгорания – теплообменные поверхности – нагревае- мый воздушный поток». Эта тенденция вызвала разработку разнообразных турбулизаторов на пути теплоносителей в форме продольных и поперечных канавок и ребер, винтообразных и спиральных вставок, вы- ступов в форме прерывистых шипов, проволочных мотков, с одной сторо- ны, и лункообразных впадин (dimples), с другой. 64 а Рис. 4. Примеры использования рекуператоров в различных технологических схемах: a – подогрев воздуха горения в топливной печи; б – воздушная газификация биомассы – подогрев воздуха продуктами газификации; в – воздушная газификация биомассы – подогрев воздуха посредством внешнего источника теплоты; г – подогрев пара и воздуха горения в схеме высокотемпературной паровой газификации HTSG; П – печь; Р – рекуператор; Г – газификатор; ТК – топочная камера; ГД – газовый двигатель; ВИТ – внешний источник теплоты Несмотря на растущее распространение в индустриально развитых странах систем отопления на базе рекуперативных и регенеративных горе- лочных устройств, централизованные рекуператоры сохраняют свою зна- чимость для мощных нагревательных печей металлургии, машинострое- ния, а также при тепловой обработке неметаллических материалов. В [22] имеются указания на значимость централизованных рекуператоров в сис- темах с FLOX (MILD, HiTAC) системами сжигания, эксплуатация которых требует предварительного разогрева печного пространства до температур не менее 800°С (1073 K). Например, компания SSAB ввела в эксплуатацию после реконструкции нагревательную печь с шагающим подом производи- Холодный воздухTa,0 Горячий воздухTa,ех Топливо Tfl Продукты сгоранияTfl,ех Горячий воздухTa,ех биомасса Холодный воздухTa,0 Б Горячий воздухTa,ех Холодный воздухTa,0 Биомасса б в г Холодный воздухTa,0 Биомасса Биомасса Горячий воздухTa,ех Tg,ех Продукты Продукты сгоранияTfl,ех газификации Tg,ех Продукты Продукты Высоко- Коксовый остаток Тсhar Водяной пар Тs,b Cинтез- газ Tsg,ех Синтез-газ Tsg пар Ts,ех Tfl 65 тельностью 300 т/ч, где распределение температур по длине печи от 1000°С(1273 K) до 1320 °С (1593 К) соответствует противоточной схеме ввода топлива и удаления продуктов сгорания и обеспечивается сис- темой HiTAC (HighTemperatureAirCombustion) сжигания топлива (аналог беспламенного (flameless) или замедленного (объемного) сжигания) в условиях высокотемпературного подогрева воздуха. Печь отапливается с помощью низкоэмиссионных (low – NOx) горелок НТВ, а утилизация те- плоты уходящих газов обеспечивается централизованным рекуператором с температурой подогрева воздуха 600 °С. Отметим в заключение, что роль рекуператоров как утилизаторов теп- лоты является лимитирующей при использованиинизкокалорийныхга- зовых топливс недостаточнойтемпературой горенияв условияхвысокотем- пературныхпроцессов:нагревстали подпластическую деформа- цию(прокатка – вметаллургии икузнечнопрессовое производство – вмаши- ностроении), обжигакерамики, огнеупоров, плавлениястекла. В этих про- цессахнеобходимо обеспечитьпредварительный подогревобоих компонентовгорения:горючего(низкокалорийного) газа наряду своздухом- окислите- лем. При этомособуюугрозу представляетприсутствиесерыкак компонен- татоплива (горючего газа), которая в продуктах сгорания резко сни- жает термическую и химическую стойкость поверхностей нагрева [23]. Если для утилизаторовтеплотыуходящих газов – рекуператоровнавоздушном тракте –агрессивнойявляется внешняя сре- да(продуктысгорания), то для теплообменников нагазовом трактесерабудет присутствоватькак снаружи, таки внутриэлементоврекуператора. Дляиспользования низкокалорийных газовых топлив в высокотемпера- турных процессах необходимо выполнение следующих требований: • повышенная температураподогрева компонентовгорения, имея в виду подогревобоих компонентов: топлива и окислителя, т. е.об использовании двух утилизаторов теплоты (рекуператоров)для каждого изкомпонентов горения; • минимально возможная температура теплообменных поверхностей при максимальном нагреве компонентов (газа, воздуха), т. е. установление минимальной разницы температур: «внутренний поток – теплообменная поверхность». Выполнение этого условия может уменьшить коррозионное воздействие агрессивной среды, поскольку при пониженных температурах стали (труб, иных поверхностей) снижается скорость химических реакций между продуктами сгорания и металлом. Для пониженной разности темпе- ратур «теплообменная стенка – теплоноситель», например в случае исполь- зования трубчатых рекуператоров, необходимо применять интенсифика- цию теплообмена внутри каждой из труб. В Ы В О Д Ы 1. Утилизация теплоты уходящих продуктов сгорания является обяза- тельной составляющей повышения эффективности использования топлива в высокотемпературных агрегатах (печах, котлах, парогенераторах), подъ- ема рабочих температур теплоносителя до или выше уровня технологиче- 66 ских требований. Значимость и возможности утилизации теплоты с точки зрения экономии топлива возрастают по мере роста технологических тем- ператур Tfl,ex в агрегате и снижения разности между теоретической темпе- ратурой горения TT рассматриваемой топливо-окислительной смеси и Tfl,ex. 2. В последние годы получил распространение подогрев рабочих ком- понентов для случаев воздушной и паровой газификации биомассы за счет утилизации теплоты продуктов газификации (синтез-газа). С этой целью изменены схемы и конструкции установок газификации биотоплива, кото- рые комбинируют с котлами и газовыми двигателями в системах когенера- ции энергии. 3. В качестве утилизаторов теплоты используются высокотемператур- ные конвективные и радиационные теплообменники, обычно рекуператив- ного типа. Применение рекуператоров в условиях серосодержащих газо- вых смесей, что имеет место при использовании альтернативных газовых топлив, резко понижает температурную и химическую стойкость стальных теплообменных труб. В этой связи вопрос о повышении стойкости рекупе- раторов, по существу, определяет возможность использования нетрадици- онных топлив. Л И Т Е Р А Т У Р А 1. Kuhs, H. J.Erdgaseinsatz in industriellenKesselanlagen / H. J. Kuhs // GasWarme Int. – 2006. – Vol. 55, No 8. – Р. 562-565. 2. M a n d e v i l l e, L. Percomterm Boiler Flue Gas Economizers / L. Mandeville // Techno- logy and Market Assessment Forum (TMAF), Meeting in Kansas City, Missouri, October 16th, 2008. – 28 p. 3. С и с т е м а децентрализованного теплоснабжения на основе аппаратов погружного горения: термодинамический анализ пути совершенствования / Б. С. Сорока [и др.] // Пром. теплотехника. – 2001. – Т. 23, № 3. – С. 112–119. 4. С о р о к а, Б. С. Интенсификация тепловых процессов в топливных печах / Б. С. Со- рока. – Киев: Наукова думка, 1993. – 416 с. 5. С о р о к а, Б. С. Системы сжигания и теплоутилизационные устройства технологи- ческих печей: современное состояние и мировые тенденции развития / Б. С. Сорока // Энер- готехнологии и ресурсосбережение. – 2012. – № 2. – С. 54–69. 6. М е н д е л е в, Д. В. Теплотехническое обоснование энергоэффективных технологий и конструкций промышленных печей для нагрева метала: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.16.02 / Д. В. Менделев // Металлургия черных, цветных и редких металлов. – Минск, 2012. – 20 с. 7. G i t z i n g e r, H. P. Saving energy by modernizing the heating system, using modern self recuperative burners / H. P.Gitzinger, M. Wicker, P. Ballinger // Heat Processing. (8) issue3. – 2010. – P. 253–254. 8. T r i m i s, D. New Ceramic Heat Exchangers with Enhanced Heat Transfer Properties for Recuperative Gas Burners / D. Trimis, V. Uhlig, R. Eder / Heat Processing. (9) issue2. – 2011. – P. 183–187. 9. N e u a r t i g e keramischeWärme – űbertragerfűrRekuperatorgasbrenner / D. Trimis [et al.] // Gas Wärme Int. – 2011. – № 5. – Р. 384–386. 10. W h i p p l e, D. High efficiency burner systems for aluminium melting furnaces / D. Whipple, J. Teufert, J. Domagala // Heat Processing (8), issue 2. – 2010. – P. 139–144. 11. R e u s c h, G. EffizienteBrennersystemefürÖfen in der Aluminium-Inustrie / G. Reusch, J. Domagala // Gas Wärme Int. – 2011. – No 5. – Р. 57–62. 12. И с п о л ь з о в а н и е кислорода и обогащенного кислородом воздуха в нагрева- тельных печах, колодцах, стендах разогрева сталеразливочных ковшей / И. Н. Карп [и др.] // Энерготехнологии и ресурсосбережение. – 2012. – № 3. – С. 18–29. 67 13. П р и г о ж и н, И. Современная термодинамика. От тепловых двигателей одиссипа- тивных структур / И. Пригожин, Д. Кондепуди; пер. с англ. Ю. А. Данилова и В. В. Белого, под ред. А. П. Агеева. – М.: Мир, 2002. – 461 с. 14. С о р о к а, Б. С. Энергоэкологический анализ эффективности использования топли- ва и энергии с применением математического и компьютерного моделирования. 1. Методи- ка расчета энергетической эффективности и ее теплофизическое обоснование / Б. С. Сорока, В. С. Кудрявцев, Р. С. Карабчиевская // Энерготехнологии и ресурсосбережение. – 2010. – № 1. – С. 11–21. 15. S o r o k a, B. Combined power and environmental optimization of the fuel type by re- heating and thermal treatment processes / B. Soroka, P. Sandor // Proceedings of the 21st World Gas Conference. – Nice, France, 6–9 June 2000. – 15 p. 16. S o r o k a, B. Simplified design method of efficiency’s and NOxyield’s evaluation at the industrial furnaces under replacement of type of combustible gas / B. Soroka, P. Sandor // Pro- ceedings of the VII International Scientific Conference on Combustions and Heat Technics: Uni- versity of Miscolc, 1998, May 27–29. – Miscolc, 1998. – Р. 103–113. 17. П р о д у к т ы сгорания природного газа при высоких температурах / И. Н. Карп [и др.]. – Киев: Техника, 1967. – 382 с. 18. Б і л о д і д, В. Д. Енергетичний потенціал горючих вторинних енергоресурсів і во- дню, а також витрати на їх підготовку до прямого спалювання / В. Д. Білодід, Г. О. Куц // Проблеми загальної енергетики. – 2011. – Вип. 2 (25). – С. 32–39. 19. L a l o v i c, M. Flame temperature as a function of the combustion conditions of gaseous fuels / M. Lalovic, Z. Radovic, N. Jaukovic // MTAEC9. – 2006. – No40(3). – P. 89–82. 20. B i o m a s s Gasification with Preheated Air: Energy and Exergy Analyses / R. M. Karamarković [et al.] // Thermal Science. – 2012. – Vol. 16, issue 2. – P. 535–550. 21. P e r f o r m a n c e Analysis of Biomass Gasification and Power System with High Tem- perature Steam / K. Umeki[et al.] // Proceedings of 8th International Symposium on High Tempera- ture Air Combustion and Gasification, July 5–7, 2010, Poznan, Poland. – P. 415–423. 22. S z e w c z y k, D. High Temperature Burners (HTB) as the result of the connection of HiTAC combustion technology with central recuperative systems / D. Szewczyk, J. Engdahl, A. Stachowski // Proceedings of 8th International Symposium on High Temperature Air Combus- tion and Gasification, July 5–7, 2010, Poznan, Poland. – P. 337–345. 23. S e o n g, B. G. High-temperature corrosion of recuperators used in steel mills / B. G. Se- ong, S. Y. Hwang, K. Y. Kim //Surface and Coatings Technology. – 2000. – Vol. 126, issues 2–3. – P. 256–265. Поступила 25.10.2012 УДК 539.1.074 ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ КОНТРОЛЛЕР ДЛЯ ОБРАБОТКИ ПЕРВИЧНОЙ ИНФОРМАЦИИ Инж. СКРЯБИНА Е. В., докт. техн. наук САПОЖНИКОВ Н. Е. Севастопольский национальный университет ядерной энергии и промышленности Весьма актуальной на сегодняшний день в ядерной энергетике является задача продления срока эксплуатации технических средств. Как правило, для тех средств, срок эксплуатации которых продлен, проводится монито- ринг основных характеристик, что приводит к лавинообразному росту ин- формации об этих характеристиках. Таким образом, необходимо решить задачу избыточности информации, передаваемой от технических средств, 68