Об утверждении Инструкции по определению и оценке потерь в промышленных печах



Об утверждении Инструкции по определению и оценке потерь

1

РЕСПУБЛІКА КРИМ

РЕСПУБЛИКА КРЫМ

КЪЫРЫМ
ДЖУМХУРИЕТИ

ІНСПЕКЦІЯ З ДЕРЖАВНОГО ГАЗОВОГО НАГЛЯДУ ТА ЕНЕРГОСБЕРЕЖЕННЯ РЕСПУБЛІКИ КРИМ

ИНСПЕКЦИЯ ПО ГОСУДАРСТВЕННОМУ ГАЗОВОМУ НАДЗОРУ И ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЮ РЕСПУБЛИКИ КРЫМ

КЪЫРЫМ ДЖУМХУРИЕТИНИНЪ ДЕВЛЕТ ГАЗ НЕЗАРЕТИ ВЕ ЭНЕРГИЯ КЪОРУВЫ БОЮНДЖА ИНСПЕКЦИЯ

ул. Большевистская, 24,                                                                                                                                               тел./факс: 51-06-05

г.Симферополь, 295000                                                                                                                                   e-mail: insggne@rk.gov.ru

ПРИКАЗ

от 20.02.2015 № 48

Об утверждении Инструкции по определению и оценке потерь в промышленных печах

В соответствии с Федеральным законом от 23 ноября 2009 года №261-ФЗ              «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», Законом Республики Крым от 28 января 2015 года №77-ЗРК/2015 «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности в Республике Крым», постановлением Совета министров Республики Крым от 27 июня 2014 года № 174 «Об утверждении Положения об Инспекции по государственному газовому надзору и энергосбережению Республики Крым», постановлением Совета министров Республики Крым от 11 сентября 2014 года № 325 «Об утверждении Порядка осуществления регионального государственного контроля (надзора) за соблюдением требований законодательства об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности на территории Республики Крым», -

             

1. Утвердить «Инструкцию по определению и оценке потерь в промышленных печах» (прилагается).

2. Опубликовать на официальном сайте Инспекции по государственному газовому надзору и энергосбережению Республики Крым «Инструкцию по определению и оценке потерь в промышленных печах».

3. Обеспечить использование указанной «Инструкции по определению и оценке потерь в промышленных печах» при осуществлении регионального государственного контроля (надзора) за соблюдением требований законодательства об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности на территории Республики Крым, а также при выполнении энергетических обследований (энергоаудита) в организациях Республики Крым.

4. Контроль исполнения настоящего приказа оставляю за собой.

Начальник Инспекции                                                                       К. Кимаковский

УТВЕРЖДЕНО

приказом Инспекции по государственному газовому

надзору и энергосбережению

Республики Крым

от 20.02.2015 года № 48

ИНСТРУКЦИЯ

по определению и оценке потерь в промышленных печах

1. Область применения

Инструкция по определению и оценке потерь в промышленных печах (далее – Инструкция) распространяется на всех юридических лиц, независимо от их организационно-правовых форм и индивидуальных предпринимателей, которые расположены на территории Республики Крым и являются потребителями энергетических ресурсов или осуществляют деятельность, связанную с производством, переработкой, преобразованием, транспортировкой, хранением, распределением, учетом и использованием энергетических ресурсов.  Положения настоящей инструкции, установленные в отношении энергетических ресурсов, применяются и в отношении воды, подаваемой, передаваемой, потребляемой с использованием систем централизованного водоснабжения. 

2. Нормативные ссылки

В настоящей Инструкции использованы ссылки на следующие стандарты:

- ГОСТ 31607-2012 Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения;

- ГОСТ Р 53905-2010 Энергосбережение. Термины и определения;

- ГОСТ 31532-2012 Энергосбережение. Энергоэффективность. Состав показателей. Общие положения;

-  ГОСТ Р 51387-99 Энергосбережение. Нормативно-методическое обеспечение. Основные положения;

-  ГОСТ 28567-90 Компрессоры. Термины и определения;

- ГОСТ 17398-72 Насосы. Термины и определения;

- ГОСТ Р 55103-2012 Ресурсосбережение. Эффективное управление ресурсами. Основные положения;

- ГОСТ 721-77 Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приёмники электрической энергии. Номинальные напряжения свыше 1000 В;

- ГОСТ 21128-83 Системы электроснабжения, сети, источники, преобразователи и приемники электрической энергии. Номинальные напряжения до 1000 В;

- ГОСТ 32144-2013 Электрическая энергия. Совместимость технических средств электромагнитная. Нормы качества электрической энергии в системах электроснабжения общего назначения;

- ГОСТ 27209.1-89 Оборудование электротермическое. Печи электрошлакового переплава. Методы испытаний;

- ГОСТ 27414-87 Агрегаты печные для обжига портландцементного клинкера по сухому способу производства. Показатели энергопотребления;

- ГОСТ 27880-88 Печи газовые секционные для нагрева черных металлов. Удельный расход энергии.

3 Определения и сокращения.

В этой Инструкции использованы термины, означающие понятия, определенные в соответствии с ГОСТ указанные в разделе 2 «Нормативные ссылки»:

В Инструкции использованы термины, означающие понятия, определенные в соответствии с Законом Российской Федерации от 23.11.2009 N 261-ФЗ "Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации" (в редакции от 04.10.2014 N 291-ФЗ):

топливно-энергетические ресурсы (ТЭР): Совокупность природных и производственных энергоносителей, запасенная энергия которых при существующем уровне развития техники и технологии доступна для использования в хозяйственной деятельности;

рациональное использование ТЭР: Использование топливно-энергетических ресурсов, обеспечивающее достижение максимальной эффективности при существующем уровне развития техники и технологии, с учетом ограниченности их запасов и соблюдения требований снижения техногенного воздействия на окружающую среду;

первичная энергия: Энергия, заключенная в ТЭР;

энергосбережение: Реализация организационных, правовых, технических, технологических и экономических мер, направленных на уменьшение объема используемых ТЭР при сохранении соответствующего полезного эффекта от их использования, в том числе объема произведенной продукции, выполненных работ, оказанных услуг;

коэффициент полезного использования энергии: Отношение всей полезно используемой в хозяйстве энергии к суммарному количеству израсходованной энергии в пересчете ее на первичную;

потеря энергии: Разность между количеством подведенной и потребляемой энергии;

потери: Любая деятельность, которая потребляет ресурсы, но не создает ценности.

норматив расхода ТЭР (технический норматив): Научно и технически обоснованная величина нормы расхода энергии (топлива), устанавливаемая в нормативной и технологической документации на конкретное изделие, характеризующая предельно допустимое значение потребления энергии (топлива) на единицу выпускаемой продукции или в регламентированных условиях использования энергетических ресурсов;

электротермическое оборудование: Комплекс технического оборудования и устройства для осуществления электротермического процесса.

3.1. Обозначения и сокращения.

ТЭР - топливно-энергетические ресурсы

КПД - коэффициент полезного действия

4 Общие положения

Данная Инструкция определяет порядок определения объемов неэффективного использования ТЭР во всех организациях независимо от их организационно-правовых форм, которые расположены на территории Республики Крым и являются потребителями ТЭР или осуществляют деятельность, связанную с производством, переработкой, преобразованием, транспортировкой, хранением, распределением, учетом и использованием ТЭР.

Целью применения Инструкции является:

- выполнение расчетов потерь и резервов экономии ТЭР при осуществлении регионального государственного контроля (надзора) за соблюдением требований законодательства об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности на территории Республики Крым и нормативных правовых актов Российской Федерации и Республики Крым (далее - контролирующие органы), при выполнении энергетических обследований (энергоаудита) в организациях Республики Крым, а также при разработке программ в области энергосбережения и повышения энергетической эффективности организациями, осуществляющими регулируемые виды деятельности, организациями с участием государства или муниципального образования Республики Крым;

- ориентация управленческой, научно-технической и хозяйственной деятельности организаций на эффективное использование и экономию ТЭР;

- контроль выполнения требований нормативных документов по поддержанию и повышению технического уровня энергоэффективности оборудования и систем энергоснабжения.

При установлении контролирующими органами фактов расточительного, нерационального, неэффективного расходования ТЭР лицами, указанными
в п.1 Инструкции, произведенных расчетов на основании данной Инструкции, влечет за собой ответственность, установленную законодательством Российской Федерации и Республики Крым.

5. Печи

5.1 Методика составления материального баланса промышленной печи

Материальный баланс отражает равность масс материалов, которые поступают в печь и выходят из неё после завершения технологического процесса. Как соблюдается равенство при различных физических и химических преобразованиях, которые происходят с материалами в печи. Материальный баланс составляется для определения потерь сырья, топлива и выхода конечного продукта и служит основой для состава теплового баланса.

Материальные балансы действующих печей необходимы для анализа эффективности их работы и улучшения производственных показателей.

Если при обработке материалов в печи не происходит физических и химических преобразований веществ, которые нагреваются, то составление материального баланса является несложной задачей. Если в результате тепловой обработки происходит физические и химические преобразования материалов, то расчёт материальных балансов достаточно сложный. Общая формула материального баланса имеет вид:

∑Мвх=∑Мвых                                                                                                  (5.1)

где ∑Мвх – сумма масс материалов ( вместе с топливом), которые поступают в печь;

              ∑Мвых - сумма масс материалов, которые выходят из печи.

В развёрнутом виде формула материального баланса имеет вид:

Мсыр+Мтоп+Мвоз=Мпрод+Мотх+Мтех.газ                                              (5.2)

где Мсыр – масса сырья на процесс;

Мтоп – масса топлива для проведения технологического процесса;

Мвоз – масса воздуха на технологический процесс;

Мпрод – масса технологической продукции;

Мотх – масса технологических отходов;

Мтех.газ – масса отходных технологических газов включительно с газоподобными продуктами сгорания топлива и материалов.

Материальные балансы действующих печей составляются на основе реальных замеров. Для этого определяют приход материалов в печь: количество сырья, топлива, воздуха и разнообразных примесей. После определяют выход материалов из печи: количество и состав основного продукта, побочных продуктов, отходов, технологических газов и различные потери материала. Равенство сумм приходных и расходных статей материального баланса есть показатель правильности составления баланса.

При периодических  процессах материальный баланс  составляется на единицу продукции.

При беспрерывных процессах расчёт ведут на определённый период, а в конечном результате также приводиться к единице продукции. При составлении материального баланса беспрерывного процесса действующего объекта необходимо следить, чтобы в период проведения баланса технологический процесс был равномерным.

5.2 Методика составления теплового баланса и определения потерь тепловой энергии в промышленных печах.

Основным инструментом, с помощью которого оценивают достигнутый уровень полезного энергоиспользования в промышленных печах и определяют пути дальнейшей рационализации энергоиспользования, служат тепловые балансы рабочей камеры печи и других элементов входящих в её структурную схему, а также всей печи в целом.

Тепловым балансом называется равенство тепла, которое подается в печь, и тепла, которое тратится в печи. Теплота, которая получается в печи: от сжигания топлива или в результате преобразования электрической энергии в тепловую, за счёт физического тепла подогретого воздуха, которое идёт на сжигание топлива, а также за счёт экзотермических реакций в печи, используется нагрев и плавление сырья и материалов, эндотермические реакции, потери тепла с выхлопными газами и потерь в окружающею среду.

Кроме того, часть теплопроизводящего топлива расходуется в связи с неполным химическим  сгоранием топлива, а также вследствие механических потерь части топлива. В плавильных печах тепло расходуется также на нагрев и плавление шлаков.

Для печей беспрерывного действия тепловой баланс составляется на единицу времени, для печей с периодическим действием – на время цикла. Уравнение теплового баланса печи в развёрнутом виде:

Q1+Q2+Q3+Q4+Q5=Q6+Q7+Q8+Q9+Q10+Q11+Q12+Q13+Q14+Q15+Q16                             (5.3)

Составляющие баланса приведены в таблице 3

5.3 Приходные статьи теплового баланса печи.

1. Тепло, которое получается при сжигании топлива или при преобразовании электрической энергии в тепловую:

Для тепловых печей

Q1=В∙Q  ,Вт                                                                                                  (5.4)

Где В- расходы топлива, м3/сек или кг/сек;

Q- низшая теплота сгорания топлива Дж/м3 или Дж/кг;

Для электрических печей Q1=P,

где P – мощность печи, Вт.

2. Физическое тепло, которое вноситься подогретым воздухом:

Q2=В∙Vn∙Cn∙tn  ,Вт                                                                                                  (5.5)

Где Vn – расход воздуха для сжигания 1 кг или 1 м3 топлива, м3/ м3 или м3/кг (из расчета сгорания топлива);

Сn – средняя теплоёмкость воздуха в интервале температур от 0ºС до tn, Дж/(м3град)

tn – температура подогретого воздуха, ºС

для электрических печей Q2=0.

3. Физическое тепло, которое вноситься подогретым топливом (обычно подогревают только низкокалорийное газообразное топливо)

Q3= B∙Cтоп∙tтоп   ,Вт                                                                                    (5.6)

Где Cтоп – средняя теплоёмкость топлива в интервале температур  от

0ºС до tтоп, Дж/(м3град) или Дж/(кг. град)

tтоп – температура подогрева топлива, ºС

для электрических печей Q3=0

4. Физическое тепло, которое вноситься подогретыми сырыми материалами в печь (тепло жидкого чугуна, который остаётся в мартеновской печи, тепло слитков при горячем помещении их в нагревательный колодец):

Q4=Ci∙ti   ,Вт                                                                                     (5.7)

Где - расход i-го компонента материала, который поступает в печь, кг/сек;

Ci – средне удельная теплоёмкость i-го компонента в интервале температур от 0ºС до ti, Дж/(кг. град)

ti – температура подогрева i-го компонента, ºС;

для электрических печей Q4 рассчитывается по той же формуле.

5. Тепло экзотермических реакций – учитываются химические реакции, которые проходят с выделением тепла (кроме тепла  горения топлива) – Q5, Вт.

В нагревательных металлургических печах учитывается только тепло окисления железа

Q5=5650∙G∙α∙103 ,Вт                                                                                     (5.8)

Где 5650 – количество тепла, которое выделяется в процессе окисления железа, кДж/кг;

G – продуктивность печи, кг/сек;

α – угар металла, кг/кг в долях;

для термических печей α=0,005÷0,01,

для нагревательных печей α =0,01÷0,0025.

5.4 Расходные статьи теплового баланса печи.

Тепло, которое выносится из печи готовыми продуктами:

Q6=Gпр∙Cпр∙tпр   ,Вт                                                                                    (5.9)

Где Gпр – выход готового продукта, кг/сек;

Cпр – средне удельная теплоёмкость готового продукта в интервале температур от 0ºС до tпр, Дж/(кг. град);

tпр – температура продукта, который выходит из печи, ºС

Если готовый продукт выходит из печи в расплавленном состоянии, то необходимо учитывать его скрытую теплоту плавления и теплоту перегрева плавления.

2. Тепло, которое выносится из печи с отходами производства, например, шлаком, окалиной и т.д.:

Q7=Gвых∙Cвых∙tвых ,Вт                                                                       (5.10)

Где Q7 - выход отходов из печи, кг/сек

Gвых - средняя удельная теплоемкость выхода в интервале температур от 0°С до температуры, с которой отходы покидают печь, Дж/(кг.град) ;

tвых - температура отходов на выходе из печи, ° С

Если отходы находятся в расплавленном состоянии, то нужно учитывать скрытую теплоту их плавления и теплоту перегрева расплава.

3. Тепло эндотермических реакций – Q8. Учитывается тепло эндотермических реакций, которые сопровождают технологический процесс в печи. Эти величины определяют на основе тепловых эффектов реакций и данных материального баланса процесса.

4. Потери тепла, которые выносятся из печи с уходящими технологическими газами:

Q9=B∙Vт.∙г.Ст.г.∙tт.г.   ,Вт                                                                       (5.11)

Где Vт.г - количество технологических газов на 1 кг или 1 м3 топлива, которые отходят из печи (учитываются продукты сгорания топлива и газообразные продукты физико-химических процессов в печи), м3/кг или м3/м3;

Ст.г - средняя удельная теплоемкость технологических газов, отходящих из печи, Дж/(м3 град);

iт.г - температура технологических газов, отходящих из печи, °С

В случае отсутствия в печи физико-химических процессов Vт.г учитывает только продукты сгорания топлива.

Для электрических печей Q9= 0.

5. Потери тепла от химического недожога топлива –Q10

Размер недожога газообразного топлива в печах при проектной величине избытка воздуха практически равен нулю. Однако вследствие высокой температуры технологических газов, покидающих печь, некоторая часть углекислого газа и водяных паров диссоциируют, что приводит к образованию несгораемых СО и Н2 и обусловливает потери тепла в рабочем пространстве высокотемпературных печей.

Потери тепла от химического недожога при беспламенном сжигании топлива практически отсутствуют. При пламенном сжигании топлива их принимают равными:

                                             , Вт                                                                      (5.12)

Иногда их рассчитывают по формуле;

, Вт                                                          (5.13)

Где Vg - количество продуктов сгорания на 1 кг или 1 м3 топлива, м3/кг или м3/м3;

Pco - часть несгоревшего CO в отходящих продуктах сгорания топлива.

Формула справедлива при условии, что в продуктах сгорания на 1% СО приходится 0,5% Н2.

Для электрических печей Q10=0.

6. Потери тепла от механического недожога – Q11.

В печах, которые отапливаются твердым топливом.

В печах, отапливаемых газообразным топливом, механический недожог может возникать вследствие не герметичности регенеративных и рекуперативных подогревателей или при реверсировании газа в регенеративных печах (мартеновских, стекловаренных и др.).

Потери тепла от механического недожога определяются по формуле:

                                                  , Вт                                                                                    (5.14)

Где К - коэффициент потерь, для твердого топлива 0,03 - 0,05;

для жидкого топлива 0,01;

для газообразного топлива 0,02 - 0,03.

7. Потери тепла с газами, выбиваются через не герметичности печи в атмосферу:

                                          , Вт                                                                                    (5.15)

Где Vв.г. - объем технологических газов, выбиваются из печи (зависит от совершенства тягодутьевого оборудования, соответствия производительности печи), м3/сек;

Св.г. - средняя удельная теплоемкость газов, выбивающихся из печи, Дж/(м3град);

tв.г  - температура этих газов, °С.

8. Потери тепла в окружающую среду Q13 состоят из потерь тепла через кладку и излучением через отверстия печи:

         , Вт                                                                                    (5.16)

Потери тепла в результате теплопроводности через кладку (обмуровку) печи определяют по формуле:

                                     , Вт                                                                                    (5.17)

Где t - температура внутренней поверхности кладки, °С;

tn - температура окружающего воздуха, °С;

δ1 и δ2 - толщины огнеупорной кладки и термоизоляции, м;

λ1 и λ2 - коэффициенты теплопроводности кладки и термоизоляции, Вт/(м град);

α - коэффициент теплоотдачи от стенки к окружающему воздуху, Вт/(м2град), обычно α = 11,63 Вт / (м2 град)

Fкл - Поверхность кладки, м2.

Температуру внутренней поверхности кладки принимают по расчетам или примерно на 50 - 80 °С ниже, чем температура газов в печи. По поверхности кладки принимают для больших печей - внешнюю, а для малых среднюю геометрическую

=                                                                                       (5.18)

где; и - площадь внешней и внутренней поверхности кладки, м2

Иногда дополнительно рассчитывают потери тепла через закрытые заслонки

Q13зас по формуле:

               , Вт                                                                      (5.19)

Где Fзac - поверхность заслонки, м2;

ψ - часть времени, когда заслонка открыта.

Потери тепла различными участками кладки, а также температуры наружной поверхности кладки t можно определять по графику, приведенному на рис.2

температура внутренней поверхности кладки, t,°С

(без скобок дано R в (м2град)/Вт; в скобках - в (м2град)/ккал)

Рис.2 График для определения потерь тепла через кладку и внешней  температуры кладки в беспрерывно действующей печи.

Потери тепла излучением через открытые окна печи и другие отверстия определяют по формуле:

Q=C0 τ  ,Вт                                                                       (5.20)

Где Со - коэффициент излучения абсолютно черного тела, равный 5,7 Вт/(м2град4);

Тn-средняя температура в печи, °К;

Fв - площадь окна, м2;

Ф - коэффициент диафрагмирования;

τ - доля времени, когда окно открыто.

Значение коэффициента диафрагмирования приведены в табл. 1.

ширина окна, мм

коэффициент диафрагмирования при высоте окна

ширина окна, мм

коэффициент диафрагмирования при высоте окна

250

450

600

700

250

450

600

700

толщина стенки 230мм

толщина стенки 460мм

300

0,70

0,73

0,76

0,78

600

0,49

0,53

0,56

0,58

600

0,78

0,80

0,82

0,84

900

0,52

0,57

0,60

0,62

900

0,79

0,83

0,85

0,87

1200

0,55

0,59

0,63

0,65

1200

0,81

0,85

0,87

0,89

1500

0,56

0,61

0,64

0,67

1500

0,82

0,86

0,89

0,91

Q14=∑Fiохл ∙qiохл    ,Вт                                                                                                   (5.21)

Где qiохл - плотность теплового потока на поверхности элемента, который охлаждается, Вт/м2;

Fiохл - площадь поверхности элемента, который охлаждается, м2                Практические показатели qiохл приведены в табл.2.

Таблица 2.

Показатели плотности теплового потока на поверхности деталей, которые охлаждаются водой.

Тип детали

Темпе

ратура,

°С

Плотность теплового потока, q-10 -3, Вт/м2

без изоляции

с изоляцией

Балка загрузки

23,3

11,63

Балка выдачи

163,0

11,63

Продольная подовая труба методической печи

900

58,1

17,45

1250

69,8

23,3

1350

139,6

34,9

Поперечная подовая труба методической печи

900

69,8

23,3

1250

81,5

34,9

1350

139,6

58,1

Опорная труба в камере нижнего подогрева сварочной зоны

1350

139,6

23,3

Рама загрузочного окна

-

175,0

-

Заслонка загрузочного окна

-

145,0

-

Рама смотрового окна

-

250,0

Заслонка смотрового окна

125,0

Для ориентировочных расчетов потери тепла с охлаждающей водой можно принять равными 10% от прихода тепла.

10. Потери тепла на нагрев кладки:

Q15=Mкл∙Cкл∙Δtc     , Вт                                                                                    (5.22)

Где Mкл - масса части кладки, которая остыла, кг;

Cкл - средняя удельная теплоемкость кладки, Дж/(кг∙град);

Δtc - средняя разница температур, на которой остыла кладка, °С. Эти потери имеют место только в печах периодического действия.

11. Потери тепла на нагрев транспортных средств определяется по формуле:

Q16=Gтр∙Cтр∙(t–tтр )   ,Вт                                                                      (5.23)

Где Gтp - масса транспортных средств, которые проходят через печь, кг/сек;

Стр - средняя теплоемкость транспортных средств, Дж/(кг град);

tи tтр - конечная и начальная температура транспортных средств.

Эти потери происходят в печах с передвижным подом (туннельные печи для обжига кирпича).

Тепловой баланс можно составлять для рабочего пространства печи, совместно для рабочего пространства и регенеративных или рекуперативных теплообменников или печи в целом.

Результаты теплового баланса сводят в таблицу, в левой части которой размещаются приходные статьи баланса, а в правой - статьи расходов (табл 3).

Подытожив отдельно приходные и расходные статьи теплового баланса и приравняв Qприх – Qрас, получим для пламенных (топливных) печей уравнение с одним неизвестным, каким будет расход топлива В.

Таблица 3

Структура теплового баланса рабочего пространства печи

№

п/п

Статьи прихода

Обозн

Вт

№ п/п

Статьи расходов

Обозн

Вт

1

Тепло, получаемое при сжигании топлива или при преобразовании электрической энергии в тепловую

Q1

1

Тепло, которое выносится из печи готовым продуктом

Q6

2

Физическое тепло, которое вносится подогретым воздухом

Q2

2

Тепло, которое выносится из печи с отходами (шлаки. окалина и др.)

Q7

3

Физическое тепло, которое вносится подогретым топливом

Q3

3

Тепло эндотермических реакций

Q8

4

Физическое тепло, которое вносится подогретыми сырыми материалами

Q4

4

Потери тепла, выносятся из печи с уходящими технологическими газами

Q9

5

тепло экзотермических реакций

Q5

5

Потери тепла от химического недожога топлива

Q10

Итого:

Qприх

6

потери тепла от механического недожога

Q11

7

Потери тепла с газами, которые выбиваются из печи

Q12

8

Потери тепла в окружающую среду:

- Теплопроводностью через кладку

- Излучением через открытые окна

Q13

9

Потери тепла с охлаждающей водой

Q14

10

Потери тепла на нагрев кладки (для печей периодического действия)

Q15

11

Потери тепла на нагрев транспортных средств

Q16

Итого:

Qрасход

Примечание:

При составлении ориентировочных балансов к расходным статьям добавляют неучтенные потери, которые принимают равными:

                                                                        (5.24)

Для электрических печей Qприх=Р; Р - мощность печи, значение которой находят как сумму расходных статей баланса.

Из-за неточности определения отдельных статей баланса суммы приходных и расходных статей не совпадают. Несогласованность баланса допускается 1÷2%.

При анализе тепловой работы действующей печи составляют таблицу теплового баланса, позволяющего определить, какие статьи расходной части баланса чрезмерно высокие и, таким образом, выявить причины недостаточно эффективной работы печи.

Тепловой баланс печи в целом, как и величины соотношения отдельных статей баланса, является основой для определения показателей эффективности использования топлива и энергии, то есть энергетической эффективности ее работы.

Материальные и тепловые балансы должны составляться на предприятии периодически для оценки эффективности работы и с целью разработки мер по уменьшению потерь энергоресурсов в промышленных печах.

5.5. Основные теплотехнические показатели эффективности работы печей и методы их определения.

Основными теплотехническими показателями работы печи является коэффициент полезного использования топлива (ηкпт), коэффициент использования тепла (ηкит), коэффициент полезного действия рабочего пространства печи (η), технологический коэффициент полезного действия печи (ηтехн), удельные расходы тепла (Qрас), энергетический коэффициент полезного действия печи (ηкпд).

1. коэффициент полезного использования топлива (ηкпт) определяют по формуле*

ηкпт= (5.25)

___________________________________________________________________

* здесь и дальше расшифровка статей баланса

или

ηкпт=  (5.26)

Где ∑Qпот сумма всех потерь тепла печью.

                                          (5.27)

Коэффициент (ηкпт) характеризует долю тепла, которое использовано в рабочем пространстве печи, то есть показывает совершенство тепловой работы печи Чем ниже суммарные потери тепла ∑Qпот ,тем больше ηкпт

2. Коэффициент использования тепла (ηкит) определяют по формуле;

ηкит=                                                                                    (5.28)

ηкит - характеризует топливо и условия его сжигания.

Для электрических печей:

ηкит =1-ψ                                                                                                                 (5.29)

где ψ - коэффициент мощностных потерь в электрической цепи.

3. Коэффициент полезного действия рабочего пространства печи

η=                                                                        (5.30)

Он характеризует долю полезного тепла, которое расходуется на технологический процесс, по отношению ко всему теплу, подведенному в рабочее пространство печи.

4. Технологический КПД печи:

ηтехн=                                                                                     (5.31)

ηтехн показывает, какая доля от общего потребления тепла расходуется на собственно технологический процесс.

5. Удельный расход тепла qрас определяют по формуле:

, ДЖ/кг                                                                                    (5.32)

В развернутом виде эта формула может быть представлена следующим образом:

                                          (5.33)

Где Iвоз - теплоемкость воздуха, поступающего в печь, на единицу топлива, Дж/м3;

Iтоп - теплоемкость топлива, поступающего в печь, Дж/м3;

Iт.г. - теплоемкость технологических газов, покидающих печь, в расчете на единицу количества топлива, Дж/кг, Дж/м3;

σ- часть объема технологических газов, выбивающихся через не герметичности печи;

β1 - часть химического недожога;

β2 - часть механического недожога.

Величину химического и механического недожога, а также объем газов, выбивающихся из печи, берут из практических данных. Другие величины или заданы, или их определяют путем расчетов процессов горения топлива, материального баланса или тепловых расчетов.

Для электрических печей:

qрас= , Дж/кг                                                                      (5.34)

или

qрас=ч+,  Дж/кг                                                                                     (5.35)

где ч - количество тепла, которое расходуется на технологические операции на 1 кг материала:

ч = См(t–t)–5650∙α∙l0-3                                                                       (5.36)

где См - средняя теплоемкость материалов в интервале температур tи t Дж/(кг.град);

tи t- конечная и начальная средние по массе температуры материалов, °С;

α- угар материала, кг/кг, в частях.

6. Энергетический коэффициент полезного действия печи ηкпд показывает часть потребленного в печи тепла по отношению к теплу затраченному и рассчитывается по формуле:

ηкпд= (5.37)

где Qдоп - дополнительное тепло, использованное в печи, например тепло на производство пара в установках испарительного охлаждения и котлов-утилизаторов.

В зависимости от того, какие цели преследуются при анализе работы печи, используют те или иные приведенные выше показатели.

6. Особенности расчетов потерь энергии в электропечах.

Основными параметрами электропечных установок является:

- Мощность преобразователя электрической энергии или пропорциональная её мощность, которая вводится в печь;

- Размеры печи (например, объем);

- Емкость печи или количество продукции, полученной за один рабочий цикл для печи периодического действия или часовая производительность печи непрерывного действия.

В отличие от топливных печей электропечные установки имеют отдельные особенности.

1. при работе электропечей имеют место потери энергии - тепловой (в рабочем объеме печи) и электрической (в системах питания). Поэтому дополнительно к тепловому балансу необходимо составлять энергетический баланс двух видов:

а) баланс электроэнергии - подведенной и израсходованной за определенный период времени:

Wc=Wпол+Wдоп+Wт.рас+Wе.рас=(Wпол+Wдоп+Wт.рас)=,МДж или кВт/г    (6.1)

б) баланс мощности как сопоставление мощности, забираемой из энергосистемы в данный момент времени, и расходов на нее в электропечных установках:

Pc=Pпол+Pдоп+Pт.рас+Pе.рас ,МВт                                                                                    (6.2)

Где Wc (Pc) - технологическая электрическая энергия (мощность), которая поступает из энергосистемы;

Wпол (Pпол) - полезная энергия (мощность), которая расходуется на технологический процесс (с учетом тепла эндотермических и экзотермических реакций);

Wдоп (Pдоп) - дополнительная энергия (мощность), которая расходуется на нагрев футеровки и конструкций в рабочем пространстве печи;

Wт.рас (Pт.рас) - затраты энергии (мощности) на компенсацию тепловых потерь с рабочего пространства печи;

Wе.рас (Pе.рас) расходы энергии (мощности) на компенсацию электрических потерь в электропечных установке и в системах подвода тока;

ηв ηз- электрический и общий (энергетический) КПД соответственно.

Оба баланса состоят из качественно одинаковых статей прихода и расхода, но количественное соотношение их в различные периоды электронагрева может быть разным.

2. Годовая производительность электропечных установок рассчитывается по формуле:

, Т/год                                                        (6.3)

Где mо- масса садки печи, т;

Т - годовой рабочий фонд времени, ч;

α- количество горячих и холодных простоев, %;

τ1 - период подготовки печи к нагреву, г;

τ2 - период нагрева (или плавления), г;

τ3 - период технологической обработки изделий, ч.

Период нагрева определяют по формуле (с баланса энергии):

                                                                                      (6.4)

Где i - энергия, теоретически необходимая для нагрева (или плавления единицы массы садки , тесть энтальпия, кВт ч/т;

- средняя мощность, которая вводится в печь и определяется

по формуле:

Pн=kв∙Sн∙cosφ∙ηв(6.5)

Где Sн - номинальная мощность преобразователя (источники питания), кВА;

kв - коэффициент использования мощности преобразователя за период нагрева, определяется по формуле:

                                                                      (6,6)

Таким образом, производительность электропечных установок, определяет технико-экономические показатели ее работы (удельные затраты электроэнергии, удельные капитальные затраты и др.) Зависит от двух основных параметров - массы сады и номинальной мощности преобразователя (источники питания)

3. Удельные затраты энергии определяют из баланса энергии по формуле

, кВт∙ч/т                            (6.7)

Где ip - энергия, теоретически необходимая для проведения технологического процесса в период τз, кВт ч/т.

4. Энергетическая эффективность работы электропечей, как уже отмечалось, оценивается величинами КПД электрического (ηе), теплового (ηт) и общего (ηо).

Электрический КПД (ηе) учитывает потери электроэнергии при подведении ее к рабочему пространству.

Тепловой КПД (ηт) учитывает полноту использования энергии в рабочем пространстве.

Общий КПД (ηо) является универсальным показателем для сравнения работы различных печей.

Определяются эти КПД по формулам:

ηе=                                                                                                   (6.8)

ηт=                                                                                     (6.9)

ηо=ηе∙ηт                                                                                                   (6.10)

где Wпол - полезное использование энергии в рабочем пространстве, кВт*ч;

Wа - активная электроэнергия, кВт*ч;

Wпот- потери энергии (тепловые потери) в рабочем пространстве, кВт*ч.

Приведем некоторые показатели:

- Для нагревательных индукционных установок:

Wпит= 400-650кВт ч/т;

ηе = 0,8 - 0,9; ηт = 0,7 -0,9 ηо = 0,5 - 0,8.

- Для плазменных печей (плавка нержавеющих и низкоуглеродистых сталей):

Wпит = 800- 1100 кВт ч/т; ηо = 0,4 - 0,5.

5. Направления повышения энергетической эффективности и снижения потерь тепла в промышленных печах.

Температура уходящих газов характеризует степень теплоусвоения в рабочем объеме печи и степень рекуперации тепла уходящих газов. Диапазон температур 1300÷1700ºС относится к высокотемпературным нагревательным печам без рекуперации тепла, топливо которое сжигается с небольшим избытком воздуха (α= 1,1-1,2), а 600÷1000ºС - в печах с одноступенчатой рекуперацией тепла.

КПД высокотемпературных нагревательных печей при отсутствии рекуперации тепла не превышает 20÷25%. Для большинства небольших печей машиностроительной и металлообрабатывающей промышленности, которые работают с избытком воздуха α = 1,2÷1,3 и имеют тепловые потери 5÷10% от количества, подведенного в печь тепла, КПД не превышает 15÷20%.

Все мероприятия по повышению эффективности использования топлива в нагревательных и термических печах можно разделить на две группы. В первую входят мероприятия, реализация которых не связана с дополнительными расходами и использованием нового оборудования. К ним относятся: строгое соблюдение режимных карт эксплуатации печей (поддержание оптимального коэффициента расхода воздуха и заданной тяги, организация оптимальных режимов загрузки и выключения простоев), ликвидация утечек воздуха и неконтролируемых подсосов в печь, постоянный контроль и быстрая ликвидация пробоин тепловой изоляции печей и т. п. Так, только поддержание оптимального α (например, α = 1,1÷1,15 вместо α = 1,2÷1,3) позволяет повысить КПД печей и уменьшить расход топлива на 6÷10%. За счет реализации всего комплекса мероприятий первой группы можно сэкономить до 25÷З0% топлива.

Вторая группа мер связана с модернизацией печей и технологических процессов и требует умеренных капиталовложений. Это установка рекуператоров; уменьшение потерь через кладку и с охлаждающими элементами путем улучшения теплоизоляции печи и модернизации охлаждаемых элементов; установка новых конструкций горелочных устройств; модернизация печей с изменением конфигурации и габаритных размеров.

Установка рекуператоров с температурой подогрева воздуха 300÷450ºС повышает КПД печи на 15÷22% и уменьшает расход топлива на 16÷26%. Уменьшение тепловых потерь через кладку и с охлаждающими элементами в 2 раза повышает КПД печи на 6÷8% и экономит до 20% топлива, а установка новых конструкций горелочных устройств повышает КПД на 4÷6% и экономит 5÷8% топлива.

При полной модернизации печей КПД может достигать 40 - 60%, а экономия топлива превысит 60 - 70%.

Наибольший эффект при частичной модернизации печей дает установка рекуператоров и рекуперативных горелок.

При подогреве воздуха на 300÷450ºС топливный эквивалент Пэ = 1,6÷2,3, то есть единица тепла подогретого воздуха заменяет 1,6÷2,3 единицы тепла, которое получено при горении топлива.

Уменьшение вредных выбросов за счет снижения удельных расходов топлива в печи при ее модернизации связано с уменьшением количества уходящих газов, повышением полноты сгорания топлива, устранением температурных неравномерностей в рабочем объеме печи и снижением времени пребывания продуктов сгорания в зоне высоких температур. Расчеты показывают, что при полной модернизации газовой печи количество вредных выбросов с уходящими газами (в основном окислов азота и окислов углерода) снизится в 2,5÷3 раза.

Средние изобарные теплоемкости газов при атмосферном давлении (0,1013 МПа)

Приложение 1

Температура,  °С

Объемные теплоемкостн, кДж / (м3 град)

С02

N2

02

Н2О

СО

сухой

воздух

Н2

СН4

0

1,593

1,294

1,306

1,494

1,297

1,297

1,294

1,486

100

1,713

1,296

1,318

1,506

1,300

1,300

1,298

1,629

200

1,796

1,300

1,336

1,522

1,307

1,307

1,300

1,767

300

1,871

1,306

1,356

1,542

1,318

1,318

1,302

1,901

400

1,938

1,316

1,378

1,565

1,329

1,329

1,306

2,026

500

1,997

1,328

1,398

1,589

1,343

1,343

1,308

2,152

600

2,049

1,340

1,417

1,614

1,357

1,357

1,310

2,269

700

2,097

1,354

1,434

1,641

1,371

1,371

1,315

2,378

800

2,139

1,367

1,450

1,668

1,385

1,385

1,323

2,487

900

2,177

1,379

1,464

1,696

1,398

1,395

1,327

2,587

1000

2,213

1,392

1,477

1,723

1,410

1,410

1,331

2,684

1100

2,245

1,404

1,489

1,750

1,422

1,422

1,336

1200

2,275

1,415

1,500

1,777

1,433

1,433

1,343

1300

2,301

1,425

1,511

1,803

1,444

1,444

1,351

1400

2,325

1,436

1,520

1,828

1,454

1,454

1,359

1500

2,347

1,445

1,529

1,853

1,463

1,463

1,367

1600

2,368

1,453

1,538

1,876

1,472

1,472

1,375

1700

2,387

1,462

1,546

1,900

1,480

1,480

1,383

1800

2,405

1,469

1,554

1,922

1,488

1,487

1,392

1900

2,421

1,477

1,562

1,943

1,495

1,495

1,399

2000

2,437

1,483

1,569

1,963

1,501

1,501

1,407

1

Приложение 2

Показатели эффективности работы нагревательных и термических печей.

Тип и наименование печи

Температура нагрева металла, 0С

Удельная продуктивность, кг/м2·ч)

Удельный расход теплоты, МДж/кг

Наибольшее тепловое напряжение пода, МВт/м2

КПД, %

Печи нагревательные камерные с заслонками и щелевые (tух.≈tмк):

- нагрев под штамповку в текущем производстве

1200-1250

500-400

3,35-3,8

0,465

25-22

- тоже самое в серийном производстве

1200-1250

400-250

3,8-4,6

0,42

22-18

- тоже самое в малосерийном производстве или под свободную ковку

1200-1250

250-150

4,6-5,0

0,32

18-16,5

Печи нагревательные полуметодические (tух.
- нагрев под штамповку в текущем производстве

1200-1250

700-400

2.8-3.1

0.52

30.27

- тоже самое в серийном производстве

1200-1250

400-250

3.1-4.2

0.35

27-20

Печи нагревательные с выкатывающимся подом для нагрева слитков перед ковочными прессами (tух.≈tмк):

- холодные слитки (tмп<300 0C)

1200-1250

250-200

3.35-4.2

0.29

25-20

- остуженные слитки (tмп=300-600 0C)

1200-1250

400-300

2,5-3,3

0,29

25-20

горячие слитки (tмп>600 0C)

1200-1250

500-400

2,1-2,5

0,29

25-20

Печи нагревательные с крутящим тарельчатым подом (tух.≈tмк):.

1200-1250

250-150

2,5-3,35

0,175

35-25

Печи нагревательные с крутящим кольцевым подом, проходные с шагающими балками (tух.
1200-1250

250-150

2,5-3,35

0,175

35-25

Печи нагревательные проходные разного назначения (tух.≈tмк):

- для листов или полос перед штамповкой или вальцеванием

950-1150

500-300

2,5-3,3

0,23

35-25

- для штангового материала перед резкой на прессножницах

400-800

750-400

0,85-1,65

0,175

35-25

Печи термические камерные со стационарным или выкатывающимся подом (tух.
- закалка или нормализация

850-1100

250-1500

2,3-3,3

0,175

25-20

- отжиг

850-1100

200-1000

2,7-4,2

0,145

22-18

- отпуск, старение

550-700

200-100

1,65-3,3

0,095

25-15

Печи термические, вертикальные, ямные и колодезные:

- закалка или нормализация

850-1100

150-50

2,9-4,2

0,12

20-15

- отпуск, старение

550-700

100-30

2,5-3,3

0,06

20-10

Печи термические проходные толкающие с поддонами или башмаками, конвейерные с холодной обратной ветвью, роликовые с водяным охлаждением (tух.≈tмк):

- закалка или нормализация

850-1050

200-100

1,8-2,5

0,1

35-25

- отжиг

850-1050

150-30

2,1-3,1

0,09

30-20

- отпуск, старение

550-700

150-30

1,25-2,1

0,055

35-20

Печи термические проходные с бестарной укладкой изделий (с крутящим подом, роликовые без водяного охлаждения, с шагающими балками, со спрятанным конвейером или конвейером с горячей обратной  ветвью) (tух.≈tмк):

- закалка или нормализация

850-1050

200-100

1,65-2,3

0,095

40-30

- отжиг

850-1050

150-30

1,9-2,9

0,08

35-25

- отпуск, старение

550-700

150-30

0,85-1,9

0,045

40-25

Примечание:

tух. – температура продуктов сгорания покидающих печь;

tмп – начальная температура металла;

tмк – температура в среднем за цикл, при соблюдении (tух.≈tмк)