Удосконалення рекуперативного повітронагрівача (теплоутилізатора) для розширення області застосування за умови запиленого гріючого теплоносія

Abstract

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора філософії за спеціальністю 144 – Теплоенергетика. – Національний технічний університет "Харківський політехнічний інститут". Метою дисертаційної роботи є підвищення енергоефективності системи нагріву повітря, яке подається на технологічні потреби вельц-процесу за рахунок утилізації теплоти запилених димових газів у петлевому повітронагрівачі. Дисертаційна робота складається з: анотації, вступу, 5 розділів, висновків, списку використаних джерел і додатків. У вступній частині обґрунтовано актуальність вибраного в дисертаційній роботі напрямку досліджень, сформульовано мету і задачі дисертації, показано зв’язок з науковими програмами, планами, темами, вияснено об’єкт, предмет, методи дослідження, визначено наукову новизну та практичну значущість роботи, наведено відомості про особистий внесок здобувача, апробацію та публікації основних результатів за темою дисертації. У першому розділі здійснено огляд загальної схеми вельц-процес у переробки металургійних відходів та його вдосконалення шляхом застосування у технологічному процесі петлевого повітронагрівача для утилізації тепла запилених продуктів горіння. Розглянуто прийоми підвищення ефективності промислових процесів і установок шляхом утилізації вторинних енергетичних ресурсів. Розглянуто конструкцію, особливості та принцип роботи петлевого повітронагрівача, за умови запилених димових газів. Виконано огляд теплообмінників, які можуть застосовуватися для утилізації теплоти запилених димових газів: рекуператорів у вигляді вертикальних труб, повітронагрівачів ротаційного типу та малогабаритних теплообмінників з нестаціонарним режимом роботи (мінірегенераторів) з кульковою та стільниковою насадками, контактного плівкового газоочисного теплообмінного апарату. Теплообмінник, який запропоновано використовувати у системі утилізації тепла запилених димових газів, є чотирьохсекційний рекуператор з труб діаметром 89х4,5 зігнутими у вигляді петель, розміщення труб коридорне. Кожна секція являє собою пучок труб вварених в трубні дошки. Теплообмінник є восьмиходовим за напрямком руху повітря та одноходовим за напрямком руху димових газів. Повітря, що нагрівається, направляється в труби, димові гази, що нагрівають, омивають труби в поперечному напрямку. Конструкція повітронагрівача дозволяє створити різні схеми руху теплоносіїв . Теплоносії не можна міняти місцями через швидке заростання внутрішнього перетину труб пилом. Відмічено, що вагомий внесок у розв’язання проблеми підвищення ефективності систем утилізації вторинних енергетичних ресурсів, зокрема із запиленими теплоносіями, зробили такі вчені: Андоньєв С.М., Семиноженко В. П., Сталінський Д. В., Рижавський А. З., Міллер О. Д., Сорока Б. С., Воробйов М. В., Грес Л. П. На основі детального огляду проблеми сформульовано завдання та мету дисертаційної роботи. Другий розділ присвячено особливості математичного моделювання та розрахунків складних пререхресноплинних теплообмінників. Розглянуто теплогідравлічні розрахунки узагальнених рекуперативних теплообмінників на основі ε-NTU-методу, Р-NTU-методу та метод поправкового коефіцієнта. Здійснено порівняння вказаних методів розрахунку. Обґрунтовано застосування цих методів для петлевих рекуператорів- теплоутилізаторів і проведено їх удосконалення та доповнення. Дискретний P-NTU метод є інтервальним, грунтується на застосуванні безрозмірних величин, що призводить до зменшення використання змінних величин і до більш зручних обчислень. Даний метод враховує розподіл локальних різниць температур у апараті. Дискретний P-NTU метод дозволяє враховувати особливості руху теплоносіїв. Для спрощення пошуку розв'язання системи поверхня нагріву розбивається на елементи, з яких скомпонований теплообмінник. Елементи мають прості схеми однократної перехресної течії з повним перемішуванням двох теплоносіїв за рухом. Ряди для плину внутрішнього теплоносія можуть бути багатоходовими. Третій розділ присвячено застосуванню методів розрахунк у рекуперативних теплообмінників для петлевих рекуператорів (повітронагрівачів) за умови запилених димових газів. На основі запропонованих методик розрахунку рекуперативних теплоутилізаторів (розділ 2) були створені дві програми розрахунку теплообміну в петлевому рекуператорі з використанням методу поправкового коефіцієнту та P-NTU методу. Паралельно проводиться гідравлічний розрахунок з визначенням втрат тиску зі сторони повітря, що нагрівається (трубного теплоносія) та втрат тиску з боку димових газів. Для зручності проведення розрахунків методом поправкового коефіцієнта на ЕОМ пропонується використовуються табличні дані, графіки, номограми та залежності у вигляді функціональних залежностей. Цими параметрами є: поправковий коефіцієнт до середньологарифмічного температурного напору (ψ), поправки до коефіцієнтів тепловіддачі, апроксимовано та представлено у вигляді функціональних залежностей теплофізичні характеристики теплоносіїв, коефіцієнти поправки qП, qДГ для зручності розрахунку тепловмісту димових газів і повітря. Розрахунок методом поправковго коефіцієнту проводився для всієї поверхні нагріву теплообмінника з розбивкою на секції. При цьому, визначались температури теплоносіїв та поверхні нагріву, коефіцієнти тепловіддачі та теплопередачі після кожної секції залежно від запиленості димових газів, яка приймалася 50 г/Нм³ і без запиленості, та розміру пилових частинок, що становила від 1 мкм до 50 мкм. За результатам розрахунку побудовані графіки, які показують вплив запиленості димових газів на вказані величини для кожної з 8 схем руху теплоносіїв, а саме: розподіл коефіцієнтів теплопередачі та тепловіддачі по петлевим секціям, вплив запиленості та розміру пилових частинок на коефіцієнти теплопередачі і тепловіддачі у відсотках, розподіл температури поверхні нагріву по петлевим секціям. Оцінка температури поверхні нагріву дозволяє підібрати відповідний матеріал труб залежно від граничної температури експлуатації сталі. За методикою дискретного розрахунку визначено температури поверхонь стінок зсередини та ззовні труб в кожній точці за напрямком руху теплоносіїв. Ці температури можна порівняти з граничними для цього матеріалу умовами жаростійкості. Додатково була встановлена різниця між температурою насичення водяної пари при парціальному тиску у димових газах та температурою зовнішньої стінки труб у даному місці для з’ясування можливих областей випадіння вологи та утворення корозії на трубах теплообмінника. Теплофізичні властивості повітря та димових газів, що являють собою суміші газів, визначалися для кожного елемента рекуператора із врахуванням у ньому середніх температур та тисків. Для газів, що відходять з вельц-печі, задавався їх хімічний склад, який враховувався при розрахунку теплофізичних властивостей. Для повітря, що направляється вентилятором, враховувалась зміна відносної вологості. Четвертий розділ присвячено аналізу і порівнянню отриманих результатів розрахунків здійсненими двома методиками. Визначено показники ефективності та надійності систем утилізації при різних схемах компонування петлевого повітронагрівача. На основі розрахунку методом поправкового коефіцієнта побудовано графіки та діаграми, які дозволяють проаналізувати залежність процесу теплопередачі від компонування секцій рекуператора, оцінити вплив запиленості димових газів та розміру пилових частинок на коефіцієнти тепловіддачі та теплопередачі у відсотках, температури димових газів, повітря і стінок труб по петлевих секціях. П’ятий розділ присвячено оцінці зменшення викидів парникових газів при заміщенні природного газу повітрям завдяки використання петлевого повітронагрівача-утилізатора. Проведено техніко-економічне і екологічне обґрунтування впровадження петлевого повітронагрівача для утилізації запилених продуктів згоряння після вельц-печі. Петлевий повітронагрівач розглядається як еколого-теплоенергетичний рекуператор, що дозволяє за рахунок утилізації тепла димових газів нагріти повітря, яке необхідне в технології вельц-процесу. Застосування рекуператора одночасно вирішує три задачі: екологічної безпеки, фінансово-економічна та задача підвищення енергоефективності. Задача енергоефективності дозволяє визначити кількість природного газу, який заміщується нагрітим повітрям. Задача екологічної безпеки полягає у розрахунку викидів парникових газів при спалюванні природного газу, який буде заміщуватися підігрітим повітрям. Економічна задача полягає у розрахунку виплати державою квот при заміщенні природного газу нагрітим повітрям. У додатках представлено список публікацій здобувача за темою дисертаційної роботи, відомості стосовно впровадження результатів дисертації та дані про апробацію дослідження. Таким чином з’ясовано, що використання петлевого повітронагрівача для утилізації теплоти запилених продуктів горіння з метою підігріву повітря є перспективним та ефективним енергозберігаючим заходом, який дозволяє замінити споживання природного газу для нагріву повітря, що подається на технологічні потреби вельц-процесу. Використані математичні моделі, методики та алгоритми для розрахунку і аналізу ефективності теплообмінних апаратів системи утилізації теплоти запилених димових газів металургійних печей дозволяють визначити фактичну працездатність теплообмінних апаратів для різних режимів роботи з урахуванням експлуатаційних факторів. Удосконалені методи та засоби розрахунку петлевих теплоутилізаторів дозволяють підвищити їх ефективність і надійність, зменшити витрати ресурсів, мінімізувати негативний вплив на навколишнє середовище від викидів продуктів згоряння природного газу, зокрема, вуглекислого газу.Thesis for the scientific degree of the doctor of philosophy on a specialty 144 - Heat power engineering. - National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute". The aim of the thesis is to develop methods and means to increase the efficiency of the recuperative loop air heater (heat recovery unit) to expand the scope of application under the condition the dust laden heat carrier. The thesis consists of: annotation, introduction, 5 sections, conclusion, list of used sources and appendices. The introduction substantiates the relevance of the chosen research direction in the thesis, highlights the connection with scientific programs, plans, topics, formulates the purpose and objectives of the thesis, defines the object, subject and research methods, provides scientific novelty and practical significance of work, information about personal contribution applicant and the approbation and publication of the main results of the thesis. The first section reviews the general scheme of the waeltz process of metallurgical waste processing and its improvement by using a loop air heater in the technological process for heat utilization of dusty combustion products. The methods of increasing the efficiency of industrial processes and installations by utilization of secondary energy resources are considered. The design, features and principle of operation of a loop air heater under the condition of dusty flue gases are considered. An overview of heat exchangers that can be used to utilize the heat of dusty flue gases: recuperators in the form of vertical pipes, rotary type air heaters and small heat exchangers with non-stationary mode (mini-regenerators) with ball and honeycomb nozzles, contact film gas scrubber. The heat exchanger, which is proposed to be used in the heat utilization system of dusty flue gases, is a four-section recuperator made of pipes with a diameter of 89x4.5 bent in the form of loops, the placement of pipes is corridor. Each section is a bundle of pipes welded into the tube boards. The heat exchanger is eight-way in the direction of air movement and one-way in the direction of flue gas movement. The heated air is directed to the pipes, the heated flue gases wash the pipes in the transverse direction. The design of the air heater allows to create various schemes of movement of heat carriers: countercurrent, direct-flow and 6 combined schemes. Heat carriers cannot be swapped due to the rapid overgrowth of the internal cross section of the pipes with dust. It is noted that the following scientists made a significant contribution to solving the problem of increasing the efficiency of secondary energy resources utilization systems, in particular with dusty coolants: Andoniev S.M., Seminozhenko V.P., Stalinsky D.V., Ryzhavsky A.Z., Miller O.D., Soroka B.S., Vorobyov M.V., Gres L.P. and other. On the basis of a careful review of the essence of the problem the purpose and tasks of the thesis are formulated. The second section is devoted to the features of mathematical modeling and calculations of complex cross-flow heat exchangers. Thermohydraulic calculation of generalized recuperative heat exchangers based on ε-NTU method, P-NTU method and correction factor method is considered. The comparison of the specified calculation methods is carried out. The application of these methods for loop recuperators-heat utilizers is substantiated and their improvement and supplementation is carried out. The discrete P-NTU method is interval and is based on a number of dimensionless quantities, the use of which leads to a reduction in variables and more convenient calculations. This method takes into account the distribution of local temperature differences in the device. The discrete P-NTU method allows to take into account the nature of the movement of coolants. To simplify the search for solutions to the equations, the heating surface is divided into elements of which the heat exchanger is composed. The elements have the simplest schemes of a single cross-flow with complete mixing of both coolants along the way. Rows for the flow of internal coolant can be multi-pass. The third section is devoted to the application of methods for calculating recuperative heat exchangers for loop recuperators (air heaters) under the condition of dusty flue gases. Based on the proposed methods of calculation of recuperative heat recovery units (Section 2), two programs for calculating heat exchange in a loop recuperator using the correction factor method and the P-NTU method were created. In parallel, a hydraulic calculation is performed to determine the pressure loss from the heated air (tubular coolant) and the pressure loss from the flue gases. For the convenience of calculations by the method of correction factor on a computer, it is proposed to use tabular data, graphs, nomograms and dependencies in the form of functional dependencies. These parameters are: correction coefficient to the average logarithmic temperature pressure (ψ), corrections to heat transfer coefficients, approximated and presented in the form of functional dependences thermophysical characteristics of heat carriers, correction coefficients qP, qDG for ease of calculation of heat and gas content. The calculation by the method of correction factor was performed for the entire heating surface of the heat exchanger with a breakdown into sections. The sectional design of the recuperator allows to create various schemes of the movement of heat carriers: countercurrent, direct-flow and 6 combined schemes. The temperatures of heat carriers and heating surfaces, heat transfer and heat transfer coefficients after each section were determined depending on the dust content of flue gases, which was taken 50 g / Nm³ and without dust, and the size of dust particles, which ranged from 1 μm to 50 μm. Based on the results of the calculation, graphs are constructed showing the influence of flue gas dust on the specified values for each of the 8 schemes of coolant movement, namely: distribution of heat transfer and heat transfer coefficients by loop sections, influence of dust and dust particle size on heat transfer and heat transfer coefficients heating surface temperature in the loop sections. Estimation of temperature of a surface of heating allows to pick up a suitable material of pipes depending on maximum operating temperature of steel. The method of discrete calculation made it possible to determine the surface temperatures of the walls, both inside and outside at each point in the direction of movement of the coolant. These temperatures can be compared with the limit for this material with heat resistance conditions. Additionally, the difference between the saturation temperature of water vapor (at partial pressure in the exhaust gases) and the temperature of the outer wall at this location was determined to identify areas of possible moisture loss and corrosion on the heat exchanger tubes. Thermophysical properties of air and flue gases, representing mixtures of gases, were determined in each element of the heat exchanger, taking into account their average temperatures and pressures in it. For the air supplied by the fan, the change of its relative humidity was taken into account. For gases coming from the Waeltz furnace, their chemical composition was set, which was taken into account when calculating the thermophysical properties. The fourth section is devoted to the analysis and comparison of the obtained results of calculations performed by two methods. Indicators of efficiency and reliability of utilization systems at various schemes of arrangement of a loop air heater are defined. Based on the calculation by the correction factor method, graphs and diagrams are constructed, which allow to analyze the dependence of the heat transfer process on the layout of the recuperator sections, to estimate the influence of flue gas dust and dust particle size on heat transfer and heat transfer coefficients . The fifth section is devoted to the assessment of the reduction of greenhouse gas emissions when replacing natural gas with air through the use of a loop air heater-utilizer. Feasibility study, financial and ecological substantiation of introduction of loop air heater for utilization of dusty combustion products after waeltz furnace is carried out. The loop air heater is considered as an ecological and thermal energy recuperator, which allows to heat the air, which is necessary in the technology of the waeltz process, by utilizing the heat of the flue gases. The use of a recuperator simultaneously solves three problems: environmental safety, financial and economic and the problem of improving energy efficiency. The problem of energy efficiency allows you to determine the amount of natural gas that is replaced by heated air. The task of environmental safety is to calculate greenhouse gas emissions from the combustion of natural gas, which will be replaced by heated air. The financial and economic task is to calculate the payment of quotas by the state when replacing natural gas. The appendices contain a list of the applicant's publications on the topic of the thesis, information on approbation and information on the implementation of the thesis results. Thus, it is shown that the use of a loop air heater to utilize the heat of dusty combustion products to heat the air is a promising and effective energy saving measure that eliminates the consumption of natural gas to heat the air supplied to the technological needs of the waeltz process. Used refined mathematical models, techniques and algorithms for calculation and analysis of heat exchangers of heat utilization systems of dusty flue gases of metallurgical furnaces make it possible to determine the actual performance of the devices in different modes, taking into account operating factors. Refined methods and means of calculation of loop heat recovery equipment can increase their efficiency and reliability, reduce resource costs, avoid the negative impact on the environment from emissions of natural gas combustion products, in particular, carbon dioxide.