Новая технология повышения эффективности угольных печей

Новая технология повышения эффективности угольных печей

В.Н. Коломота, начальник управления перспективного развития ОАО „ДМ3″

Металл и литье Украины. – 2002, № 5-6. – с.15 – 17

Новые технологии, повышающие эффективность мартеновских печей

Мартеновское производство стали имеет более чем 150 – летнюю историю и в настоящее время в СНГ около 40 % стали выплавляют в мартеновских печах. Они пережили несколько технических революций, в результате чего освоено массовое производство стали высокого качества, в том числе и высоколегированных.

Когда страны Западной Европы и Северной Америки получили в избытке дешевую атомную энергию, мартеновские печи в них не выжили.

Тем не менее, в Украине существуют условия, позволяющие эксплуатировать мартеновские печи. Вот основные из них:

· возможность использования любого вида перерабатываемой шихты (от 100% металлолома до жидкого чугуна, окисленных и металлизированных окатышей, агломерата и других железосодержащих материалов);

· высокий КПД от прямого применения всех источников энергии (75-80 %);

· восприимчивость к современным металлургическим технологиям;

· высокая степень и дальнейший потенциал утилизации тепла;

· возможность применения всех современных огнеупорных технологий и материалов;

· низкий уровень шума;

· возможность внедрения всех типов современных технологий по снижению выбросов вредных веществ в атмосферу;

· большой потенциал внедрения процессов автоматизации и контроля технологического процесса.

Не менее важным доводом в пользу продолжения эксплуатации мартеновских печей является и то, что замена их конвертерами или ДСП требует больших средств. Поэтому эта работа должна вестись планомерно с учетом финансовых возможностей предприятий.

По сравнению с другими методами производительность мартеновских печей продолжает оставаться сравнительно низкой. Кроме того, не решён вопрос автоматизации процесса и его регулирования в строго заданных временных рамках. Очевидно одно, что при условии сохранения в эксплуатации, мартеновских печей необходимы реализации на них современных технологий и огнеупорных материалов.

Первые шаги по модернизации верхнего строения мартеновских печей на ОАО “ДМЗ” дали положительные результаты. Эти шага включали: футеровку печи современными огнеупорными материалами; скрытую донную продувку расплава, что позволило использовать остаточный металл на подине печи, так называемое “болото”; создание лучших условий для более интенсивного нагрева жидкого металла факелом и др.

Новые технологии и огнеупорные материалы концерна RHI Refractories AG и фирмы ТЕСНСОМ Import Export GmbH, защищенные рядом интернациональных патентов в области совершенствования процесса плавки в мартеновских печах и разрешённые к внедрению “Федеральным горным и промышленным надзором России”, существенно повысили эффективность 18 мартеновских печей на 8 металлургических заводах России, Украины и Латвии.

В связи с этим в марте 2002 года на мартеновской печи 3/6 ОАО ”ДМЗ” совместно с фирмой ТЕСНСОМ (Германия), внедрена новая технология кладки подины мартеновской печи, а также донная продувка ванны азотом, так называемая технология “VVS”.Согласно контракту и рекомендаций специалистов фирмы ТЕСНСОМ внедрение и освоение этой технологии должно обеспечить: уменьшение продолжительности плавки до 5%; увеличение средней массы плавки до 2%; снижение расхода топлива до 10%; исключение простоев печи на подвалки подины в межремонтные периоды: снижение расхода огнеупорных порошков (магнезита) до 5 кг/т стали.

Ранее применили скрытую донную продувку такие заводы, как: АО”Лиенайс металлургс” на трёх печах ёмкостью -180т, Нижнеднепровский трубопрокатный завод им Карла Либкнехта на двух печах емкостью 250т, Таганрогский металлургический завод, на печах емкостью 250т. Ашинский металлургический завод, Нижне-Сергиевский металлургический завод. Все мартеновские печи на перечисленных предприятиях работают на скрап-процессе. Тем не менее, на них достигнуты следующие результаты: сокращена длительность плавки на 5 – 10%; увеличено производство на 3 — 8%: сэкономлено условного топлива 6.5 — 8,5%.

С целью обучения и освоения приёмов и методов работы печей с системой “VVS” по договоренности с фирмой ТЕН-СОМ и руководителями вышеперечисленных заводов специалисты ОАО “ДМЗ” побывали на них.

Конструктивно донная продувка сталеплавильной ванны по технологии “VVS” обеспечивается с помощью комбинированной кладки огнеупорной подины с применением в ее составе масс с различающимися свойствами. В выполненную традиционными средствами структуру футеровки в ее нижней части установили блок газонепроницаемых кессонов, ограничивающих распределение дутья внутри подины. Продувочные устройства коллекторного типа установлены на дне кессона для заполнения и укрытия его до поверхности границы подины. В футеровке верхнего слоя дутьевого блока использована огнеупорная масса ANKERHARTH-TLS2, уложенная по специальной технологии.

К четырем продувочным элементам азот подводят от газорегулирующей станции, при этом его расход регулируют отдельно на каждый элемент. Продувка осуществляется автоматически или в ручном режиме с учетом технологических особенностей плавки.

Принципы технологии донной продувки азотом на мартеновской печи 3/6, работающей скрап-рудным процессом, заключаются в следующем. Азот подастся через четыре фурмы, расположенные в подине по продольной оси печи. Давление азота на входе газорегулирующей станции составляет от 4,5 до 6 бар. Интенсивность общего потока газа изменяется по ходу плавки в зависимости от хода технологического процесса. Используется остаток металла от предыдущей плавки “болото”, который образуется по мере износа футеровки примерно на 120-ой плавке. Продувка ванны азотом активизирует тепло-массообменые процессы в расплаве, дополнительно перемешивая его. Это активизирует кинетику окисления углерода в ванне, что способствует более быстрому усреднению температуры металла и ускорению химических реакции в металле, усвоению добавочных материалов. Интенсифицируются обменные процессы на уровне шлак – металл и сокращается время технологических стадий плавки и доводки металла.

Сушку – разогрев печи до 1200 0 С после завершения реконструктивных работ поводили в течение 35 часов. Коксовый газ подавали через сопла реформаторов печи. Температуру свода контролировали по показаниям трех термопар, установленных на уклонах главного свода напротив завалочных окон (соответственно, термопара 1 напротив 1-го окна, термопара 2 напротив 3-го окна, термопара 3-напротив 5-го окна).

После запуска печи было замечено, что при садке массой 153 — 155т ванна “сидит” низко, потому была увеличена масса садки до 165т, а тепловая нагрузка до 28 млн. ккал/ч на завалку и прогрев. В остальные периоды тепловая нагрузка составляла 21-24 млн, ккал/ч, расход кислорода в факел 1200 — 1500 м 3 /ч, расход жидкого чугуна 80т (вместо 70 — 75т), в дальнейшем доля чугуна была снижена до 74 т.

Некоторые показатели работы мартеновской печи 3/6 в сравнении с работой мартеновской печи 8(без донной продувки) и со средними показателями по цеху приведены в табл. 1.

Таблица 1 Показатели работы мартеновских печей 3/6 и 8

Новая технология повышения эффективности угольных печей

Нефтеперерабатывающие заводы являются крупнейшими потребителями топливно-энергетических ресурсов, в том числе котельно-печного топлива, тепловой и электрической энергии. Эффективность их использования во многом определяется качеством работы заводского оборудования. Оптимизация технологических процессов необходима по многим причинам. В частности, существующие заводы были спроектированы и построены во времена значительно более дешевой, чем сейчас, энергии, поэтому актуальной является необходимость предусмотреть меры по ее экономии.

60–70% общего расхода топлива приходится на долю трубчатых печей для нагрева сырой нефти и нефтепродуктов в различных технологических процессах. Поэтому повышение КПД трубчатых печей может дать значительную экономию топлива.

Пути повышения эффективности работы трубчатых печей

  • повышение равномерности нагрева по окружности и длине радиантных труб;
  • приведение в соответствие фактических и допускаемых теплонапряжений;
  • повышение КПД печей за счет снижения присосов воздуха и автоматизации процесса горения;
  • утилизация тепла уходящих дымовых газов;
  • уменьшение загрязнения воздушного бассейна за счет совершенствования методов сжигания топлива.

Из перечисленных направлений наибольший интерес вызывает утилизация тепла уходящих дымовых газов. В качестве объекта исследования была выбрана установка каталитического риформинга Л-35-11/450К с предварительной гидроочисткой ООО «РН-Комсомольский НПЗ».
Вопросы экономии топлива неотделимы от вопросов охраны окружающей среды. На ряде НПЗ в качестве топлива используется природный газ, однако имеется тенденция сжигания нефтезаводских отбросных газов, являющихся побочным продуктом переработки нефти. Трубчатые печи, сжигающие газообразное топливо, являются источником вредных выбросов в атмосферу, в основном, окислов азота и серы. Следует отметить, что при сжигании в печах сернистого топлива выходят из строя утилизационные устройства (котлы-утилизаторы, воздухоподогреватели) из-за повреждений их поверхностей нагрева, вызванных низкотемпературной сернокислотной коррозией.
По современным представлениям сернокислотная коррозия низкотемпературных поверхностей нагрева при сжигании сернистых топлив вызывается присутствием в продуктах сгорания серного ангидрида SO3, который, взаимодействуя с водяными парами, образует серную кислоту H2SO4, конденсирующуюся на поверхностях с температурами ниже точки росы продуктов сгорания. Процесс образования SO3 и паров H2SO4 из сернистых соединений топлива протекает в три этапа:
1. Образование сернистого ангидрида SO2 при горении топлива.
2. Окисление SO2 в SO3, которое происходит в ходе гомогенных реакций при горении топлива и в результате протекания гетерогенных реакций каталитического окисления двуокиси серы на конвективных поверхностях нагрева.
3. Образование паров серной кислоты H2SO4 при снижении температур дымовых газов до уровня 400–250 °С. При температуре 400 °С серная кислота находится в диссоциированном состоянии в виде H2O и SO3. По мере охлаждения продуктов сгорания H2O и SO3 соединяются и образуют серную кислоту. Образование серной кислоты по реакции протекает в газовой фазе, при этом выделяющееся тепло идет на нагрев газа (SO3). Охлаждение дымовых газов приводит к образованию жидкой фазы. Концентрация паров Н2SO4 в дымовых газах определяется в основном содержанием SO3, поскольку количество водяных паров гораздо больше, чем это необходимо для прохождения реакции образования серной кислоты. Количество конденсирующейся Н2SO4 прямо пропорционально концентрации SO3. Поэтому все факторы, под воздействием которых происходит увеличение или уменьшение содержания SO3, оказывает такое же влияние и на количество конденсирующейся кислоты и, соответственно, на скорость низкотемпературной коррозии. Начало конденсации Н2SO4 при соприкосновении с холодной поверхностью связано с температурой сернокислотной точки росы (TТP). В связи с этим необходимо знать величину ТТР продуктов сгорания. По данным В.А. Григорьева и В.М. Зорина, ТТР продуктов сгорания бессернистого топлива находится в пределах от 70 до 80 °С. С повышением содержания серы в топливе ТТР повышается до 160-170 °С.
Сконденсированная на поверхности серная кислота вызывает коррозию металла (условно железа). Для снижения точки росы нужно:

  • сжигать топливо с минимально возможным доступом воздуха. Снижение избытка воздуха с 1,15 до 1,05 снизит температуру точки росы на 17 0 С.
  • снизить температуру в зоне горения, что достигается применением горелок с двухстадийной подачей топлива, рециркуляцией части дымовых газов в устье горелок.

Основной целью исследований является внедрение энергосберегающих технологий на установке каталитического риформинга.
Для выполнения указанной цели были поставлены следующие задачи:

  • расчет и выбор воздухоподогревателя (энергосберегающая технология);
  • технико-экономическое обоснование и оптимизация методов утилизации тепла уходящих газов печей;
  • разработка рекомендаций по повышению надежности и эффективности применения теплоутилизационных устройств для трубчатых печей.

Дымовые газы печей П-1, П-2, П-3, П-4, ТП-1 (используется при отсутствии или недостатке дымовых газов от печей) поступают в общий газоход, далее в конвекционные зоны котлов через дистанционно управляемые шиберы НV-1119, 1120. Контроль разрежения на входе в котлы осуществляется приборами PRAL-647 с сигнализацией минимального (25 мм вод. ст.) значения; разрежение на выходе из котлов перед дымососами – 130–150 мм вод. ст. контролируется приборами РІR-839, 840. Температура дымовых газов на входе в котлы (не более 850 0 С) контролируется ТR-579; на выходе из котлов (перед дымососами) – ТІAH-562, 563. После дымососов газы поступают в дымовую трубу Д-1. Для контроля за температурой дымовых газов, выбрасываемых в дымовую трубу, установлена термопара поз. ТЕ-1080 с выводом показаний в операторную.
Температура дымовых газов после дымососов достаточно высока (T = 250–350 0 C). На основании вышеизложенного ПРЕДЛАГАЕТСЯ утилизировать это тепло дымовых газов на систему подогрева воздуха, подаваемого на горелки печей П-1, П-3, П-4.
По новой схеме, дымовые газы после дымососов попадают в чугунные ребристые пакеты воздухоподогревателей (ВП-1, ВП-2). Воздухоподогреватели ВП-1, ВП-2 работают параллельно.
После воздухоподогревателя дымовые газы отводятся в дымоход, далее через дымосос Д-1 в дымовую трубу. При выходе из строя дымососа сброс дымовых газов осуществляется, минуя воздухоподогреватель, через байпасные шиберы непосредственно в дымовую трубу.
Печь оборудована двумя вентиляторами (В-1, В-2), предназначенными для подачи первичного (нижняя заслонка) и вторичного (верхняя заслонка) воздуха к горелкам печей. В работе находится один вентилятор (В-1). Второй, резервный (В-2), автоматически включается в работу при остановке первого.
Варианты расчета поверхности воздухоподогревателя

Читайте также:  Зимний костер: секреты и советы по разведению

1 вариант. Требуется воздухоподогреватель для нагрева воздуха с -20 0 С до 200 °С. Температура воздуха, поступающего непосредственно в воздухоподогреватель, составляет 100 °С, что необходимо для получения температуры стенки выше температуры точки росы. Это достигается частичной рециркуляцией нагретого воздуха. Расход дымовых газов представлен в таблице 3; их температура на входе в аппарат – 350 °С, на выходе – 200 °С.
2 вариант. Отличается от первого варианта тем, что температура дымовых газов на входе в аппарат 300 °С, на выходе – 200 °С.
3 вариант. Отличается тем, что температура дымовых газов на входе в аппарат 250 °С, на выходе – 200 °С.
Методика расчета предполагает анализ газообразного топлива на установке каталитического риформинга. Выбираем крайние случаи (легкий и тяжелый газ); рассчитываем средние теплоемкости газов (воздуха и продуктов сгорания); рассчитываем теоретические объемы продуктов сгорания и воздуха, действующие присосы воздуха, энтальпии газов, среднюю разность температур в воздухоподогревателе и поверхность аппарата, результаты заносим таблицу.
Приблизительный расчет экономического эффекта проведем в соответствии с действующими методиками «Нормативная методика теплового расчета трубчатых печей [1] » ч/з регулирование коэффициента избытка воздуха в топке для следующих случаев:

  • Вариант 1. Максимальный расход топливного газа на горелку Вг = 300 м 3 / час. Температура наружного воздуха и уходящих дымовых газов: tв = — 20 0 С, tух = 560 0 С, наблюдаем снижение коэффициента избытка воздуха в топке с величины 1,15 (до модернизации) до значения 1,1 (после модернизации), легкий газ;
  • Вариант 2. Максимальный расход топливного газа на горелку Вг = 300 м 3 / час. Температура наружного воздуха и уходящих дымовых газов: tв = — 20 0 С, tух = 560 0 С, наблюдаем снижение коэффициента избытка воздуха в топке с величины 1,15 (до модернизации) до значения 1,1 (после модернизации), тяжелый газ;
  • Вариант 3. Максимальный расход топливного газа на горелку Вг = 125 м 3 / час. Температура наружного воздуха и уходящих дымовых газов: tв = — 20 0 С, tух = 660 0 С, наблюдаем снижение коэффициента избытка воздуха в топке с величины 1,25 (до модернизации) до значения 1,1 (после модернизации), легкий газ;
  • Вариант 4. Максимальный расход топливного газа на горелку Вг = 125 м 3 / час. Температура наружного воздуха и уходящих дымовых газов: tв = — 20 0 С, tух = 560 0 С, наблюдаем снижение коэффициента избытка воздуха в топке с величины 1,2 (до модернизации) до значения 1,1 (после модернизации), легкий газ;
  • Вариант 5. Максимальный расход топливного газа на горелку Вг = 150 м 3 / час. Температура наружного воздуха и уходящих дымовых газов: tв = — 20 0 С, tух = 560 0 С, наблюдаем снижение коэффициента избытка воздуха в топке с величины 1,25 (до модернизации) до значения 1,1 (после модернизации), тяжелый газ.

Методика заключается в следующем – рассчитываем теоретически необходимое для горения количество воздуха, определяемое по составу топливного газа; находим количество избыточного воздуха, полученного от осуществления мероприятий, рассчитываем потери тепла при нагреве до температуры уходящих газов в пересчете на природный газ и находим экономический эффект.

  1. Внедрение новой схемы утилизации дымовых газов в качестве энергосберегающей технологии на установке каталитического риформинга ООО «РН-Комсомольский НПЗ» экономически оправданно, но малоэффективно вследствие низкой окупаемости инвестиций.
  2. Проведенный анализ показал, что необходима разработка системы управления процессом утилизации дымовых газов в соответствии с режимами работы установки и параметрами используемого сырья.

А.А. Круценко
В.А. Соловьев

*полную версию статьи читайте на страницах ДЭП №3 2010

Инновации в разрезе

В ближайшие пять лет уголь может потерять до двух процентов спроса, в мировом ТЭБ доля этого топлива упадет с нынешних 27 до 25 процентов.

По данным минэнерго, объем добычи угля в России сегодня – 440 миллионов тонн в год, при планах к 2020 году – в 430 миллионов тонн. В 2,5 раза вырос объем инвестиций в основной капитал угольных предприятий. За последние 10 лет введено около 300 миллионов тонн новых мощностей по добыче. Угольная промышленность представлена 58 шахтами и 133 разрезами, почти половина из которых введена в эксплуатацию после 2000 года. Новые предприятия используют современные технологии добычи. На мировом рынке Россия занимает третье место после Австралии и Индонезии. За десять лет доля нашей страны в международной торговле углем выросла с 9 до 14 процентов.

На вытеснение доли угля из мирового ТЭБ влияют глобальная повестка борьбы с потеплением и усиление межтопливной конкуренции. “Чтобы сохранять свою долю на рынке, энергоноситель должен обладать конкурентными характеристиками стоимости и экологичности. Особенность угля в том, что это одновременно и самое дешевое, и самое грязное топливо. То, насколько быстро доля угля в мировом ТЭБ будет снижаться, зависит от соотношения этих двух ключевых параметров угля в сравнении с характеристиками имеющихся на рынке альтернатив”, – говорит Илья Надточей, аналитик Института развития технологий ТЭК.

Рост обогащения угля позволяет повысить потенциальные объемы, доступные для экспорта. Но если спрос на этот уголь на мировом рынке не будет существенно расти, то рост обогащения не сильно поможет.

Поэтому тут вопрос скорее не о повышении качества угля, а о развитии новых технологий на угольных ТЭС в странах-потребителях, которые будут способствовать поддержанию или даже росту спроса на уголь.

“Например, угольные ТЭС с системой HELE (High Efficiency, Low Emission) позволяют производить больше электроэнергии при меньшем потреблении угля, так как работают при более высоких температурах и давлении для более быстрого преобразования воды в пар. Эти технологии широко применяются в различных странах мира. Интеграция технологий HELE с технологией CCS – Carbon Capture and Storage – позволяет сократить выбросы углекислого газа до 90 процентов. Стоимость мегаватта установленной мощности таких электростанций сопоставима со стоимостью мощности на природном газе и дешевле мегаватта мощности на возобновляемых источниках”, – говорит Александр Шураков, директор группы корпоративных рейтингов агентства НКР.

Clean coal – совокупность технологий, позволяющих сократить эмиссию диоксида углерода при сжигании угля, сюда относятся системы очистки дымовых газов, системы улавливания диоксида углерода, технологии повышения параметров энергоэффективности при сжигании угля, когенерация и др.

“Пока высокая стоимость таких технологий убивает весь экономический эффект от дешевизны угля. Более того, современные системы улавливания и захоронения СО2 еще не широко распространены из-за высоких затрат на транспортировку и складирование, а также определенных экологических рисков”, – говорит Максим Загорнов, президент Российской Ассоциации малой энергетики, директор Группы компаний “МКС”.

Если технологии будут развиваться, стоимость их снижаться, а распространение и внедрение не встретят административных преград, мы имеем все шансы увидеть рост мировой доли угольной генерации.

Несмотря на сокращение потребления угля в развитых странах, его доля в энергобалансе этих стран остается значительной. Например, в Германии работают 120 тепловых электростанций на угле общей мощностью в 42,6 ГВт. Совокупно эти электростанции производят 40 процентов всего потребляемого в стране электричества. В 2018 году потребление угля в мире выросло на 1,4 процента, добыча – на 4,3 процента.

Радикального снижения доли угля в мировом энергобалансе в ближайшие 10-15 лет ждать не стоит. В богатых странах спрос на уголь снижается как по причине экологических инициатив, так и по причине замещения старых угольных электростанций новыми мощностями на природном газе и возобновляемых источниках. Но страны с развивающимися экономиками при расчете параметров энергопроектов пока в меньшей степени ориентированы на вопросы экологии и гораздо большее внимание уделяют себестоимости генерации, и уголь во многих регионах мира выгоднее, чем газ.

“Сегодня угольную генерацию на своей территории активно развивают Индия, Китай и страны ЮВА. Совокупно в ближайшие годы планируются строительство и ввод в эксплуатацию более 450 новых объектов угольной генерации мощностью более 500 ГВт, это в разы покрывает проседание в спросе за счет закрытия угольных станций в той же Германии”, – говорит Илья Надточей.

По мнению Ярослава Кабакова, директора по стратегии ИК “ФИНАМ”, доля угля в мировом энергетическом балансе хоть и будет уменьшаться, но процесс этот длительный, он растянется на несколько десятилетий. Углем будут долго пользоваться для производства электроэнергии, тепла, выпуска сотен наименований товаров во многих странах.

“Прочие энергоносители не так уж безобидны, у них есть свои отрицательные стороны, даже у тех же ВИЭ, неизвестно, какой будет энергетическая картина мира через пару-тройку десятилетий. Согласно Энергетической стратегии РФ до 2035 года запланировано увеличение доли угля в энергобалансе страны”, – говорит Кабаков.

По словам эксперта, использовать уголь можно не только как топливо. Есть технологии его газификации, превращения в жидкое топливо (процесс Фишера – Тропша), широко уголь используется в металлургии, химической промышленности. В России есть ряд технологий, ведется разработка новых способов использования угля с высоким КПД и минимальным уровнем вреда для людей и окружающей среды, поэтому он будет и дальше широко использоваться в разных отраслях отечественной экономики.

“Снижение спроса на энергетический уголь – это объективные тенденции в глобальной экономике. Учитывая, что Россия является крупным игроком на рынке природного газа (трубного и, в перспективе, СПГ), то бороться со снижением спроса на уголь бессмысленно. Целесообразно продолжить расширение пропускной способности Восточного полигона железных дорог, чтобы увеличить поставки на растущие рынки Юго-Восточной Азии и сократить поставки на сжимающиеся рынки Западной Европы”, – резюмирует Александр Шураков.

Алексей Конторович, научный руководитель Института углехимии и химического материаловедения СО РАН, лауреат премии “Глобальная энергия” 2009 года:

– Устойчивый рост спроса на уголь, прежде всего на рынке Азиатско-Тихоокеанского региона, продолжится и в горизонте 2025-2030 годов. В интересах России максимально использовать этот потенциал дополнительного спроса, сохранить и усилить свои позиции в поставке высококачественного угля на экспорт. Главным потребителем угля в ближайшие десятилетия будет Индия. Среди других стран можно назвать Китай, Японию, Южную Корею.

Радикальное улучшение эффективности угольных котельных за счет технологии частичной газификации угля

Д.т.н. С.Р. Исламов, ООО «СибНИИуглеобогащение», г. Красноярск

Проблемы традиционной технологии сжигания угля

Классическая технология сжигания угля в процессе непрерывного совершенствования со времен промышленной революции в Европе, по сути, исчерпала свой термодинамический и, соответственно, экономический потенциал. Прямая себестоимость тепловой энергии зависит главным образом от трех параметров: удельные капитальные затраты, термический КПД и стоимость натурального топлива. Первые два показателя практически невозможно улучшить значительным образом, а необратимое повышение цен на уголь обрекает потребителей энергетической продукции на постоянное повышение тарифов. Что касается возрастающих требований к экологическим показателям угольных котельных, то эта задача решается только за счет увеличения затрат на очистные сооружения, что также приводит к росту тарифов.

Во многих городах значительную долю в энергетической инфраструктуре занимают устаревшие угольные котельные с удельными выбросами вредных веществ около 10 кг/Гкал и более. Однако даже у наиболее продвинутых в экологическом плане крупных ТЭЦ этот показатель находится на уровне 4-5 кг/Гкал и, по сути, является предельным, поскольку для дальнейшего его снижения требуется радикальное увеличение инвестиций в очистные сооружения. Не менее затратной задачей является и захоронение золошлаковых отходов, т.к. их утилизация в нашей стране практически отсутствует.

Читайте также:  Мангал-дипломат: как сделать его своими руками?

Разрешение проблем, сопутствующих использованию угля в коммунальной энергетике, возможно только по двум направлениям:

1. Увеличение капитальных затрат в традиционные технологии сжигания угля с целью повышения их экологической безопасности с соответствующим увеличением энерготарифа. Для повышения экономической эффективности это направление не имеет ресурсов.

2. Переход к технологиям нового поколения, которые способны резко развернуть повышательный тренд энерготарифов, а также обеспечить высокий уровень экологической безопасности без увеличения инвестиций в дорогостоящие очистные сооружения.

Технология частичной газификации угля

Очень часто для снижения экологических последствий использования угля предлагается схема его предварительной полной газификации с последующим сжиганием газового топлива. Согласно термодинамике, суммарный энергетический КПД двухступенчатого сжигания топлива равен произведению КПД отдельных стадий, т.е. в итоге он будет всегда ниже КПД прямого сжигания угля. Кроме того, предварительная газификация угля неизбежно влечет за собой увеличение капитальных затрат. В совокупности два этих фактора увеличивают себестоимость тепловой энергии. При этом достигается единственный положительный эффект – снижение вредных выбросов в атмосферу за счет более полного сжигания газового топлива. Однако производство золошлаковых отходов остается в неизменном объеме, как и при обычном сжигании угля.

Наиболее прогрессивным решением рассматриваемых проблем является частичная газификация угля. Она обеспечивает, по сути, предельно достижимую на практике экологическую и экономическую эффективность использования угля. При этом наилучшие результаты достигаются при использовании молодых углей, имеющих высокое содержание летучих веществ (угли марок Б, Д, ДГ).

Условно можно считать, что частичная газификация разделяет уголь на два продукта – газовое топливо и среднетемпературный кокс (термококс). Газ сжигается для производства тепловой энергии, а коксовый остаток поставляется на рынок специализированных видов топлива и углеродных материалов, обеспечивая тем самым значительную добавленную стоимость продукции. Эта технология запатентована под торговой маркой ТЕРМОКОКС (подробнее о технологии см. НТ № 1, 2007 г. и № 2, 2009 г. – Прим. ред.). Разные способы ее осуществления и соответствующее оборудование защищены более чем тремя десятками патентов в России и за рубежом.

Частичная газификация угля может осуществляться в типовых энергетических котлах, подвергнутых специальной модернизации путем встраивания в существующие габариты котла подтопка-реактора с кипящим слоем. При этом модернизированный котел сохраняет паспортную тепловую мощность.

Дробленый уголь, поступающий в ожижаемый воздухом кипящий слой с температурой 750-800 О С, проходит стадии сушки, пиролиза, частичной газификации и далее охлаждается в кожухотрубчатом коксоохладителе. В надслоевом пространстве горячие газовые продукты дожигаются вторичным воздухом, при этом обеспечивается высокая теплонапряженность топочного объема. Таким образом, в котле сжигается преимущественно газовая компонента угля, а вместо золошлаковых отходов производится второй ценный продукт – буроугольный кокс.

Поскольку в котле сжигается газовое топливо, его выбросы практически идентичны выбросам котла, который работает на газовом топливе. При этом, как и у газовой котельной, отсутствуют золошлаковые отходы, т.к. зола остается в термококсе. Единственный выброс в окружающую среду – продукты сгорания газового топлива. Так, например, при использовании слоевых газификаторов с обращенным дутьем суммарный выброс вредных веществ (включая пыль) без использования очистных устройств составляет около 0,5 кг/Гкал. Поскольку эти выбросы относятся на единицу тепловой энергии, можно считать, что коксовая продукция производится с нулевыми выбросами. Такой уровень экологической чистоты в принципе недостижим для классического производства кокса.

С экономической точки зрения, эта технология является аналогом известной схемы когенерации, т.е. параллельного производства двух полезных продуктов. При этом капитальные затраты в расчете на 1 МДж суммарно производимой продукции существенно меньше, а экономическая эффективность производства в несколько раз выше, чем в проектах классической теплоэнергетики (т.е. по сравнению с проектами раздельного получения кокса и тепловой энергии). Соответственно в несколько раз сокращается срок окупаемости инвестиций. Так, например, при переработке примерно 4 т бурого угля производится 1 т кокса и около 25 ГДж (6 Гкал) полезной тепловой энергии. Продажа термококса по рыночной цене как минимум компенсирует затраты на уголь, так что тепловая энергия производится из топлива с условно нулевой ценой. Как следствие, срок окупаемости инвестиций в модернизацию действующей котельной составляет 1,5-2 года.

Перспективы использования термококса

Термококс – это новый продукт, для которого еще не сформировался емкий рынок сбыта. Однако у него большие перспективы, поскольку продукция из термококса вступает в конкурентную борьбу с традиционной коксовой и угольной продукцией, имея многократное преимущество в себестоимости и экологичности.

На данном этапе развития технологии можно выделить два главных направления использования буроугольного кокса: как заменителя кокса в металлургии и технологического специализированного топлива.

Так, например, под углом использования в металлургии главными отличительными характеристиками термококса, произведенного из канско-ачинских бурых углей, являются:

■ высокая теплота сгорания – до 7000 ккал/кг;

■ на порядок повышенная реакционная способность по сравнению с металлургическим коксом;

■ высокое электрическое сопротивление (этот фактор обеспечивает экономию электроэнергии в электрометаллургии).

При сегодняшнем соотношении цен себестоимость термококса в 4-5 раз дешевле, чем у традиционного доменного кокса. Преимущество физико-химических свойств термококса (на порядок повышенная реакционность) в полной мере проявляется в новейших технологиях недоменного производства.

На сегодняшний день на рынке технологического топлива существует значительный дефицит углей высокого качества с пониженным содержанием летучих веществ (марки углей: тощие и слабоспекающиеся). В первую очередь, это – экспортный товар. Кроме того, они используются для обжига руд и нерудных материалов, цементного клинкера, для спекания глинозема и т.п.

Буроугольный кокс является идеальным сырьем для производства экологически чистого бездымного бытового топлива – брикетов, как для отопления индивидуальных домов, так и для приготовления пищи. В России – это незначительный сегмент рынка, поэтому основное направление сбыта этой продукции – экспорт.

Кроме того, термококс является эффективным сорбентом для очистки газовых выбросов и водных стоков.

Следует признать, для предприятия, традиционно занятого эксплуатацией котельных установок и продажей тепловой энергии, большую настороженность вызывает необходимость выхода с новым товаром на совершенно незнакомый для него сегмент рынка. Однако у этой проблемы есть эффективное решение. Поставщик технологии частичной газификации угля в кооперации с углеснабжающей компанией обеспечивают углем теплогенерирующие предприятия и забирают произведенный термококс в счет оплаты поставленного угля. Эта схема подробно описана в статье [1].

Опытно-промышленная апробация технологии получения термококса

Технология получения термококса реализуется в двух вариантах:

■ на базе газификаторов слоевого типа с обращенным воздушным дутьем;

■ на базе типовых котлов для сжигания угля, модернизированных для частичной газификации угля в кипящем слое.

По первой схеме в г. Красноярске с 1996 г. успешно работает газовая котельная (2 котла по 4,5 Гкал/ч). Коксовая продукция из бурого угля поставляется в качестве углеродного сорбента для очистки сточных вод и газовых выбросов. В 2015 г. планируется завершить строительство усовершенствованной котельной такой же мощности.

По второй схеме в 2007 г. была выполнена модернизация водогрейного котла КВТС-20 мощностью 17,2 Гкал/ч в г. Шарыпово, Красноярский край (заказчик АО «СУЭК»). Успешно работающий до настоящего времени энерготехнологический котел обеспечивает паспортную производительность по горячей воде и параллельно производит термококс (проектная мощность – 20 тыс. т/год). Из мелкозернистого буроугольного кокса изготавливаются брикеты в качестве заменителя металлургического кокса.

Схема получения термококса в 2012 г. также реализована на ТЭЦ-2 г. Улан-Батора (Монголия) путем модернизации энергетических котлов БКЗ-75. Целью проекта является производство 210 тыс. т/год брикетированного бездымного бытового топлива на основе буроугольного кокса.

Литература

1. Исламов С.Р. Переработка угля по схеме энерготехнологического кластера //Уголь. 2009. № 3. С. 69-71.

Возведение печи с высоким КПД

Дровяная печь с высоким КПД

И отопительные, и отопительно-варочные печи в последнее время становятся постоянным атрибутом большого частного дома или коттеджа. Многие устраивают такие конструкции, даже не заботясь об их целесообразности или о производительности.

Между тем, часто кпд печи в современном доме неприлично низкий, что вызывает перерасход топлива, дополнительную необходимость внеочередной топки и банальные лишние траты. Как повысить кпд, к каким хитростям прибегнуть?

Современные печи, это совсем не те буржуйки, которые мы хорошо помним и недолюбливаем за повсеместность и чрезвычайно низкий, до 5%, кпд. И по конструкции, и по предназначению, и по внешнему виду. При правильном подходе можно добиться кпд печи до 85% и даже больше! Как повысить кпд дровяной печи, что нужно делать и что выбирать при покупке, если нет желания выполнять кладку печи самостоятельно? Придерживайтесь наших советов и рекомендаций, ориентируйтесь на выбор и предпочтения специалистов.

Выбор печи

Центральное отопление, тем более для отдельного дома, — это сегодня довольно-таки дорогое удовольствие, которое еще и подается с перебоями. Поэтому многие покупают готовые печи, стараясь выбрать модели, совмещающие в себе и отличные эксплуатационные характеристики, и приемлемую стоимость, и, разумеется, высокий кпд. Однако работающие на твердых видах топлива печи считаются менее эффективными, чем газовые, поскольку у них низкий коэффициент полезного действия. При имеющихся в настоящее время ценах на уголь, торф, мазут или дрова затраты на отопление здания будут высоки, даже выше, чем на услуги центрального отопления – если не позаботиться о том, чтобы приобрести или построить печь с высоким кпд.

Какие модели печей нужно рассматривать при выборе? Если финансовая сторона вопроса является определяющей для выбора, то взглянем на отечественные модели, так как зарубежные аналоги имеют более высокую цену, используя тот же принцип сжигания топлива. Это будут отопительные печи типа «Профессор Бутаков», «Теплодар», «Варвара», «Термофор» и подобные.

Печь «Профессор Бутаков»

Эти модели отличаются высоким кпд, поскольку в них максимально снижены теплопотери с дымом, отрегулирована равномерность процесса горения, практически отсутствует недожиг закладки и СО.

На конструкцию именно таких печей нужно ориентироваться, если вы планируете спроектировать и выложить печь самостоятельно. В любом случае без готового проекта не обойтись, нужно будет использовать не только кирпич для возведения печи, но и листовую сталь, желательно толщиной не менее 4 мм – так зачем изобретать велосипед, если его уже скоро перестанут выпускать?

Главные характеристики и параметры печи с высоким КПД

Разберемся, какие параметры влияют на кпд печи:

  • обязательное присутствие возможности подключения водяного отопления как на одно, так и на два и более контуров;
  • мощный нагреватель воды для вариантов, работающих на электрической энергии, или хороший топливник для печей на твердом топливе. При этом учитывайте, что печи на твердом топливе являются энергонезависимыми, то есть, они работают независимо от наличия электросети или газопровода на участке, а этот момент может быть определяющим при выборе. Так, к примеру, если на дачном участке нестабильное электроснабжение и напряжение в сети часто «проседает», то выбирать энергозависимую модель печи в этом случае нерационально;
  • печи на топливе работают независимо от наличия электросети или газопровода на участке;
  • имеется возможность контролировать процесс горения и регулировать его по мере необходимости;
  • возможность использовать оборудование для обогрева зданий с достаточно большой площадью (для определенных моделей или типов печей);
  • простота обслуживания;
  • высокая экономичность.

Все топливные затраты можно резко сократить, даже не производя расчет кпд печи: расходы снижаются до 10 раз (!) при использовании каталитической печи медленного горения. Она работает на любом топливе, в том числе на дешевых отходах сельскохозяйственных продуктов и процесса обработки дерева – щепа, опилки, стружка. Это будет особенно выгодно для современных поселков в экологически чистой зоне и различных небольших предприятий, где такие виды топлива получаются в результате их производственной деятельности.

Печи медленного горения с высоким КПД можно использовать не только для отопления помещений, но и для приготовления пищи, сушки фруктов и ягод, грибов, даже пиломатериалов и небольших бревен.

Требования к печам с высоким КПД

Чтобы кпд печи, работающей на твердом топливе, был 85% или более, нужно, чтобы конструкция удовлетворяла следующим требованиям:

Читайте также:  Несколько основных характеристик керамических дымоходов

    непременное наличие колосниковой решетки, так что или ставьте ее, переоборудовав конструкцию, или сразу планируйте кладку печи с решеткой;

Как еще можно попробовать повысить КПД отопительной печи?

Есть следующие небольшие секреты, позволяющие увеличить коэффициент полезного действия печи:

1. Увеличение коэффициента полезного действия за счет дополнительного использования тепла, уходящего по дымоходу. В дымоход можно встроить дополнительные трубы, в которых проходит воздух или вода – их и нагревать отводящимися газами. Как потом полученный носитель тепла использовать – дело техники (см. ст. Наружный дымоход — делаем своими руками).
2. Повышение КПД изменением поддува. Если в поддувало дополнительно инсталлировать металлическую трубу, имеющую заслонку – в самом начале розжига печи тепло не будет уноситься в дымоход с такой высокой скоростью.

3. Над варочной поверхностью можно установить вытяжку, которая в процессе топки печи будет забирать тепло и отводить его, например, в другую комнату. Такой воздухоотвод можно провести даже через все помещения в самую дальнюю комнату, в которой, как правило, самый холодный воздух.

Это пусть и непрямые, но действенные способы повысить отдачу вашей печи, а, следовательно, сэкономить на топливе. Поскольку в нашем климате отопительный сезон продолжается 6-7 месяцев, то повышение кпд печи приведет к существенному сокращению расходов. Дерзайте!

Как увеличить КПД печи на дровах

Статья о том, как можно увеличить коэффициент полезного действия вашей печи, не переделывая её, но получить заметное увеличение тепла от горения дров. Для любого времени года и погоды. От российских и иностранных изобретателей варианты.

Совет по увеличению КПД дровяной печи от Горячего мастера

Видео-журнал «Горячий мастер» представляет. В фильме используется схематичная модель Hot Master 4. Это очень мощная и популярная печь, о которой вам рассказывали в одном из видео. Она так и называется Hot Master 4 на канале Горячий мастер. Открыв, и посмотрев это видео, вы сможете самостоятельно сконструировать эту печь, соблюдая все соотношения, и изготовить ее.
Эта печь для довольно больших парных, рассчитанных на 5-6 человек. Хорошие показатели по теплу и по прогреву каменки.

Дымоходы нержавеющие – их очень легко купить и собрать, но это как раз и помешает увеличить КПД. Совет распространяется в основном на дымоход, сделанный из цельного куска трубы из стали, идущей до обреза самого дымохода через весь чердак. Это обычная труба, которую закрепили. Уберем сейчас камни, чтобы рассмотреть подробнее.

Любая печь – это ящик, в котором горит огонь, и все стенки этого ящика должны равномерно накаливаться. Как мерцают все стенки! Они раскалены, и это позволяет отдавать то тепло, ради которого она установлена. Но не стоит забывать, что и дымоход накаляется, и очень сильно. Как показывают правила, печь плохо отдает тепло. Видите – ребра теплоотдачи мигают. А обсуждаем одну из популярнейших моделей Hot Master.
Эти ребра способствуют тому, что воздух, прогреваясь, идет по ребрам, и согревает все помещение. Обратите внимание, на печи сверху установлены ребра теплоотдачи – они мерцают. Это гениальное решение позволяет еще более сильно прогревать камни, лежащие сверху, и саму каменку.

Для многих людей состояние каменки является наиболее важным. Насколько горячие камни – многие и оценивают баню, в которой они присутствуют – как хорошо раскалена каменка, идет пар.

Давайте обсудим: если наша печь хорошо нагревается, раскаляется, то и дымоход сильно калится. Каменка сверху набирает тепло в себя, а эти дымоходы нержавеющие, как однослойные, так и двухслойные (которые сейчас мерцают), они абсолютно не способствуют отдаче тепла внутрь помещения. Тепло остается, выносится на улицу и теряется.

Если возьмем обычный дымоход из стальной трубы – он очень сильно раскален, и можем предпринять меры, чтобы его забрать. Просто приварим к этой трубе ребра теплоотдачи. как вы видите, будет такая история, когда 2-3-4 пластины, приваренные к трубе, они отдают тепло очень эффективно.
У нас есть фотографии, где люди приварили эти ребра к дымоходу, и очень сильно увеличилось КПД. Т.е. печь берет дров столько же, горит также, но идет тепла больше за счет того, что приварены ребра.
Продолжение с 4 минуты

Эффективное использование вашей дровяной печи

Вступление

Каждую зиму тысячи жителей Пенсильвании сохраняют тепло в своих домах, используя возобновляемое, доступное, производимое на месте дровяное тепло. Однако очень немногие из нас много думают о том, правильно ли мы используем это или нет. Большинство ископаемых видов топлива не требуют никаких усилий, кроме настройки термостата, но это не относится к дереву. То, как вы используете свою дровяную печь, бойлер или каминную топку, может существенно повлиять на ее производительность.

Ключевой принцип

Эффективная эксплуатация печи не только увеличит количество полезного тепла, которое вы получаете, но и поможет сделать воздух чище. Зачем? Все сводится к одному простому принципу: эффективное тепло – это чистое тепло.

Полное, 100-процентное эффективное сжигание древесины означает, что весь горючий материал в древесине преобразуется в тепло, CO 2 (углекислый газ) и водяной пар. Все, что осталось, – это зола, минеральное содержание древесины. С другой стороны, неполное сгорание означает, что часть углерода и водорода остается не сгоревшей; как правило, это соответствует выбросам таких веществ, как частицы углерода, окись углерода и полициклические ароматические углеводороды. Как правило, это не то, чем мы хотим дышать, и при этом мы не хотим дуть их на наших соседей по ветру.

Таким образом, вы можете сэкономить топливо и, в то же время, поддерживать чистоту воздуха, убедившись, что используете дровяную плиту, топку или бойлер с максимальной эффективностью. Как? Вот несколько простых советов.

Используйте высокоэффективную плиту

Агентство по охране окружающей среды США (EPA) обязано использовать внутренние высокоэффективные конструкции, которые помогают обеспечить более полное сжигание древесины. Наружные дровяные котлы не подпадают под действие этого правила, но имеются программы добровольной сертификации. Посетите веб-сайт EPA «Burn Wise», чтобы найти списки производителей, а также печи и котлы, которые соответствуют стандартам высокой эффективности. Печи и котлы, которые были построены до 1988 года, или котлы, не имеющие сертификата EPA, как правило, не так эффективны.

Наиболее распространенный метод, используемый для высокопроизводительных печей, – это добавление предварительно нагретого воздуха для горения над огнем. Многие люди не понимают, что около половины энергии в древесном топливе составляет «летучие вещества», газы, которые выходят из древесины и сжигаются в окружающей смеси газов и воздуха. Если эти газы не имеют доступного кислорода или не остаются достаточно горячими, они не сгорят. В высокопроизводительных печах также используются «полки» или другие перегородки, чтобы заставить горячие газы идти по более длинному пути, прежде чем они покинут горячую печь, что дает им больше времени для полного сгорания. Каталитические устройства также иногда используются; они используют специальные химические материалы для расщепления большего количества несгоревших углеводородов, что дополнительно улучшает тепловыделение и снижает выбросы.

Если у вас есть старая печь или печь, которая не сертифицирована EPA, рассмотрите возможность ее замены. Может показаться сумасшедшим избавиться от старой печи, которая все еще работает «на отлично», но если вы это сделаете, то повышение эффективности и сокращение выбросов будет значительным. Вы также будете в конечном итоге использовать меньше древесины – экономия 30 процентов не является чем-то необычным.

Типичный разрез, показывающий пронумерованные части старых и новых дровяных печей.
Старая печь слева:
1. Воздухозаборник, не подогретый, уменьшает сгорание
2. Первичная камера сгорания
3. Газы остывают в дымовой трубе до того, как они имеют возможность полностью сгореть, образуя дым и креозот
Новая печь справа:
1. Предварительный нагрев камера нагревает воздух для горения
2. первичная камера сгорания
3. вторичный воздух для горения подается над огнем
4. дополнительная камера увеличивает время сгорания газов
5. каталитический нейтрализатор расщепляет все оставшиеся углеводороды, выделяя больше тепла

Используйте сухой лес

Конечно, мы знаем, что сухую древесину легче сжигать, но знаете ли вы, что она также дает гораздо больше тепла? Правильно высушенная и выдержанная древесина, с влажностью около 20 процентов по весу, имеет примерно на 12 процентов больше доступной энергии, чем если бы вы использовали ее, когда она свежесрубленная с влажностью 45 процентов. Кроме того, бытовые дровяные печи имеют тенденцию гореть более эффективно при использовании сухой древесины. Если это вообще возможно, держите вашу древесину хорошо сложенной и под навесом в солнечном месте (подойдет брезент, но лучше сплошная крыша) Если вы рубите свое дерево, дайте ему высохнуть перед использованием; во многих рекомендациях предлагается минимум шесть месяцев сушки, но лучше один год или даже два года. В то время как поставщики древесины обычно говорят вам, что их древесина «полностью выдержана», многие пользователи заметили, что хранение ее в течение дополнительного года имеет большое значение для древесины ».

Держите это горячим

Одним из ключей к высокоэффективному сгоранию является поддержание зоны сгорания горячей, по крайней мере, 600 ° C (1100 ° F). Если оно холоднее, дерево будет «тлеть» (достаточно горячее, чтобы горючие газы могли выходить из дерева, но недостаточно горячее, чтобы эти газы горели). Если вы держите плиту в горячем состоянии, используя сухую древесину и дозаправляя печь до того, как она остынет, вы можете убедиться, что ваше топливо полностью сгорело, сводя к минимуму выбросы, а также накопление креозота в дымовой трубе.

Не морите огнем

Многих из нас учили, что мы можем «контролировать тепло», закрывая заслонки и ограничивая количество воздуха, поступающего в дровяную печь. Хотя это технически возможно, но имеет отрицательный побочный эффект – предотвращает полное сгорание древесины – кислород в воздухе, в конце концов, является необходимым компонентом для сгорания (кислород + топливо при правильной температуре = сгорание). Отдача тепла от дровяных печей, как известно, трудно контролировать. Лучше всего менять скорость подачи огня, а не пытаться контролировать поток воздуха.

Если вы хотите эксплуатировать свою печь аккуратно и эффективно, не поддавайтесь желанию заглушить печь, за исключением одного важного момента: когда огонь сгорел только до тлеющих углей, и вы не планируете добавлять больше топлива (например, на Конец дня перед сном) – это один раз, чтобы частично закрыть заслонку, чтобы ограничить поток воздуха через печь. По мере того, как огонь сгорает, количество необходимого воздуха падает, поэтому «сгорание огня» путем частичного закрытия заслонки на угольном пласте уменьшает количество тепла, выделяемого из дома в течение ночи.

Заключение

Дровяные печи, котлы и каминные топки являются популярным вариантом отопления домов в Пенсильвании, но, как и большинство оборудования, способ их использования оказывает большое влияние на их работу. К счастью, не так уж и хорошо работать с дровяным отопительным оборудованием. Если вы потратите немного времени, чтобы следовать четырем простым советам, изложенным выше, вы обнаружите, что ваша печь работает не только с большей эффективностью, но и воздух в вашем доме и вокруг него будет чище. Ваш кошелек и ваши легкие будут вам благодарны.

Подготовлено Даниэлем Чолкошем, Государственный департамент сельскохозяйственной и биологической инженерии штата Пенсильвания. Пересмотрены Corie Podschelne, Hearth and Home и Ed Johnstonbaugh, расширение штата Пенсильвания.

Добавить комментарий