Метод комплексного (ступенчатого) использования тепла чистых продук­тов сгорания основан на сочетании работы высокотемпературных, среднетем­пературных и низкотемпературных установок. Так, например, располагае­мое тепло уходящих газов, отводимых от промышленных ночей, а в некоторых случаях и от работающих на природном газе котлов, можно использовать для отопления сушильных установок. Это не требует дополнительного оборудо­вания, и затраты сводятся лишь к сооружению газоходов от печей или кот­лов к сушилкам.

В некоторых случаях необходимо так; се создание или повышение мощности существующей дымососной установки.

На рис. 31 показана установка ступенчатого использования тепла, со­стоящая из водогрейного котла 1, оборудованного четырьмя беспламенными горелками и сушильной установки 2. Газовоздушная смесь сжигается в огне­упорных туннелях 3. Продукты сгорания проходят через трубчатку котла І, затем поступают в канал 4 и нагревают стенки трехконвейерной сушилки или непосредственно пропускаются через сушильную камеру <5.

Суммарный к. п.д. комплексной установки составлял около 80% [98].

Теплоту конденсации водяного пара, содержащегося в продуктах сгора­ния природного газа, отводимых из котлов или сушилок, можно дополни­тельно использовать для нагрева воды в контактных экономайзерах.

Важно отметить, что применение в качестве сушильного агента чистых продуктов сгорания природного газа, отводимых из печей и котлов, позволяет не только повысить эффективность использования топлива, но и значительно интенсифицировать технологический процесс.

В качестве сушильного агента в промышленности часто применяют воздух, нагреваемый в калориферах насыщенным паром. В этих случаях производи­тельность сушилок может ограничиваться недостаточно высокой температурой нагрева воздуха, лимитируемой давлением пара в калориферах и количест­вом располагаемого пара.

При электронагреве воздуха производительность сушильной установки также часто ограничивается температурой и объемом нагреваемого сушиль­ного агента.

Для народнохозяйственной оценки эффективности ступенчатых методов использования тепла продуктов сгорания природного газа и других бессер- нистых видов топлива необходимо сопоставить капиталовложения, обуслов­ленные созданием комплексных установок, с вложениями, требуемыми для добычи и транспорта топлива, высвобождаемого благодаря повышению к. п.д. использования горючего в установках, работающих по методам ступенчатого использования тепла продуктов сгорания [171—174].

При этом закономерно оценивать капиталовложения, необходимые для добычи и транспортировки не природного газа, а наиболее дорогого высво­бождаемого топлива, замыкающего топливный баланс.

Приводим некоторые примеры эффективности работы установок комплекс­ного (ступенчатого) использования тепла продуктов сгорания природного газа.

На Краснохолмском камвольном комбинате в импортной сушильной уста­новке расходовали на нагрев воздуха 200 квт-ч электроэнергии и 500 кг пара в час. При этом воздух нагревался до температуры около 120°, что обес­печивало прохождение высушиваемой ткани через установку со скоростью порядка 9 м/мин.

При внедрении схемы использования тепла продуктов сгорания природ­ного газа [171, 220, 223] установка была переведена на отопление уходящими газами, отводимыми из котельной комбината с температурой около 200°.

Был устранен расход электроэнергии и пара на нагрев сушильного аген­та, а скорость движения ленты высушиваемой ткани повысилась до 20 м/мин, благодаря чему производительность сушильной установки возросла вдвое и соответственно повысилась производительность труда.

Затраты на перевод установки на отопление отбросными продуктами сго­рания природного газа составили всего лишь несколько тысяч рублей, а го­довая экономия природного газа, расходовавшегося ранее на производство электроэнергии и пара, достигла 1,2 млн. м3 в год.

Экономия средств на комбинате в результате ступенчатого использования тепла продуктов сгораиия составила 40 000 руб. в год, и затраченные капи­таловложения окупаются за два месяца.

Не менее важно, что экономия 1,2 млн. м3 природного газа, или 1500 т условного топлива, в год обусловливает высвобождение капиталовложений, необходимых для добычи эквивалентного количества горючего. При капита­ловложениях порядка 40 руб. на 1 т добываемого условного топлива в год экономия средств составляет около 60 000 руб., т. е. примерно в 10 раз пре­вышает вложения, затраченные на перевод сушильной установки на отопле­ние уходящими газами, отводимыми из котельной.

Отключение электронагревательной установки мощностью 200 кет, вы­свобождает дополнительно около 16 000 руб. капиталовложений на сооруже­ние электростанций, исходя из расчета 80 руб. на 1 кет установленной мощ­ности.

Pur. 31. Псчь-ііотєл ЭННН-4;

Я — uoiioiicmiwft рпирсз; б — продольный разрез;

1 ИодогреЙныК ьотел;

2 — сушильная устаноькн;

3 — огнеупорные туннели;

4 — канал;

З — суішгльнсіяікамера

Следует отметить также, что повышение производительности сушильной установки в два раза устраняет необходимость расширения существующей установки и связанные с этим капиталовложения на приобретение и монтаж оборудования. Высвобождается также производственная площадь, предназ­начавшаяся для размещения дополнительного оборудования [173, 220, 223].

Таким образом, применение метода комплексного (ступенчатого) исполь­зования тепла продуктов сгорания природного газа на комбинате позволило при весьма малых затратах:

1) повысить эффективность использования топлива;

2) уменьшить капиталовложения в топливно-энергетическую базу;

3) интенсифицировать работу сушильной установки и соответственно уменьшить потребность в оборудовании.

Намечается широкое внедрение апробированного метода в ряде отраслей промышленности.

В г. Горьком на Афонинском кирпичном заводе продукты сгорания при­родного газа, отводимые из туннельных печей для обжига кирпича и паровых котлов, использованы для отопления двух блоков туннельных сушилок. При этом прекращено сжигание природного газа в топках сушильной установки и достигнута экономия более 3 млн. м3 газа в год. Экономия средств в резуль­тате ступенчатого использования тепла уходящих газов составляет около 47 тыс. руб. в год, а сооружение установки обошлось заводу в 10 тыс. руб. Таким образом, капиталовложения окупились в течение 2,5 месяцев, без учета дополнительного эффекта, достигаемого благодаря высвобождению средств из топливной промышленности.

На заводе «Керамик» в г. Горьком также осуществлено ступенчатое ис­пользование тепла. Ранее отопление сушильных установок осуществлялось путем сжигания топлива. Затем топки демонтировали, и отопление сушилок стали осуществлять путем направления в установку продуктов сгорания, отводимых из печей обжига и выпускавшихся ранее в атмосферу [172].

Применение метода ступенчатого использования тепла продуктов сгора­ния экономит на заводе «Керамик» около 5 млн. Л13 природного газа в год стоимостью 60 тыс. руб. при затратах на сооружение установки 15 тыс. руб. Срок окупаемости установки — 3 месяца.

Капиталовложения в установки на заводах «Керамик» и Афонинском со­ставили всего около 3 руб. на 1 т условного топлива, сэкономленного в год.

Ступенчатое использование тепла продуктов сгорания успешно осущест­влено на ряде предприятий промышленности строительных материалов. Эти методы применяются также в металлообрабатывающей и других отраслях

Промышленности [175 — 177].

Естественно, что этот своеобразный симбиоз печей или паровых котлов и сушильных установок предъявляет определенные требования к размещению теплоиспользующего оборудования, которые должны учитываться при про­ектировании новых и реконструкции действующих предприятий.

Большие перспективы также открываются для широкого использования располагаемого тепла продуктов сгорания, отводимых из промышленных печей, с целью нагрева воздуха для отопления зданий.

В современных воздухонагревателях, оснащенных топками для сжига­ния природного газа, продукты сгорания приходится разбавлять воздухом во избежание прогара поверхностей нагрева. Температура разбавленных воз­духом продуктов сгорания, поступающих в воздухонагреватели из специаль­ных топок, работающих на природном газе, не превышает температуры ухо — дящих газов, отводимых в атмосферу из многочисленных нагревательных и термических печей металлообрабатывающей и машиностроительной промыш­ленности. Поэтому представляется возможным в ряде случаев не расходовать топливо на отопление заводских зданий, а использовать для этой цели воз­духонагреватели, работающие на уходящих газах промышленных печей, без усложнения и удорожания конструкции воздухонагревателей [178]. Следует •отметить также возможность сочетания работы отопительно-вентиляционных установок с рекуперативными газовыми печами.

Большой интерес представляет осуществленное в газовой промышленно­сти использование тепла продуктов сгорания, отводимых из газотурбинных установок компрессорных станций, для отопления помещений и теплиц, а также для опреснения морской воды [179].

Л спешно осуществлено также использование тепла продуктов сгорания природного газа, отводимых из котельной установки, для разогрева автомо­бильных двигателей прп безгаражной стоянке автомашин в зимних условиях.

Многие металлургические, химические и нефтеперерабатывающие заводы располагают настолько значительными ресурсами отбросного тепла, что представляется закопомерной постановка вопроса о «малой теплофикации» не только этих предприятий, но и прилегающих к ним районов с целью устранения (снижения) расхода топлива на отопление и горячее водоснаб­жение.

Важно также оценивать возможность и целесообразность размещения предприятий, нуждающихся в большом количестве пара и горячей воды, вблизи от установок, располагающих неиспользуемыми ресурсами отброс­ного тепла.

Интересно отметить, что после крупной аварии в энергосистеме США к ноябре 1965 г., в результате которой весь северо-восток страны был лишен электроэнергии в США стали проявлять большое внимание к созданию сравнительно небольших автономных установок, работающих на природном газе и жидком топливе и надежно обеспечивающих электроэнергией и теплом предприятия, учреждения, больницы, гостиницы и других потребителей 1179, 180].

Автономные энергоустановки состоят из двигателей внутреннего сгорания или газовых турбин, применяемых для привода электрогенераторов. Тепло уходящих газов используют зимой для отопления, летом — для производства холода и круглый год — для горячего водоснабжения и кондиционирования воздуха.

Суммарный к. п.д. комплексных установок достигает 70—90%, т. е. пре­вышает примерно в три раза к. п.д. установок, оборудованных двигателями внутреннего сгорания и работающих без использования отбросного тепла.

В 1960 г. в США работало шесть комплексных установок, в 1966 г.— около 300. В 1967 г. в США и Канаде действовало 370 установок, из нпх «коло 90% работало на природном газе, а остальные — на дизельном топливе. Из 370 установок около 100 работали на промышленных предприятиях, 38 использовались для комплексного энергоснабжения зданий газовых компа­ний, 74 обеспечивали потребность в электроэнергии и тепле административных зданий, 37 — учебных заведений, 22 — торговых центров, 10 — гостиниц, 17 — крупных жилых зданий, 18 установок было сооружено в сельскохозяй­ственных районах.

В 1967 г. на комплексных установках было генерировано 2,3 млрд. квт-ч электроэнергии. Стоимость сооружения установок составила 96 млн. долл.. а стоимость использованного в течение года природного газа — около 17 млн. долл. [180]. В 1968 г. число подобных установок возросло до 1000.

Опубликованы подсчеты, показывающие, что в 1971 г. 18% сооружаемых крупных жилых массивов, учебных заведений и больниц предполагается обо­рудовать комплексными установками, работающими на природном газе.

Прогнозируется, что в течение пяти лет в промышленности будет создано 26 000 комплексных установок, генерирующих в год 85 млрд. квт-ч электро­энергии. Стоимость их сооружения оценивается в 2,4 млрд. долл., а стоимость используемого в течение года природного газа — примерно в 510 млн. долл.

В августе 1969 г. в США вышла из строя почти вся энергосистема южного побережья Флориды. Территория, на которой проживает более двух миллиопов человек, длитель­ное время была лишена электроэнергии и находилась в темноте.

Предполагается также создание в течение пяти лет 72 ООО непромышлен­ных установок для обеспечения потребности в электрической и тепловой энергии административных зданий, школ, жилых массивов, торговых цен­тров, больниц, гостиниц, кемпингов и других сооружений. Стоимость непро­мышленных установок оценивают в 1,8 млрд. долл., стоимость сжигаемого природного газа в 250 млн. долл. в год, количество генерируемой в год элек­троэнергии в 42 млрд. квт-ч [180].

По другим прогнозам число установок комплексного использования при­родного газа в течение 10 лет возрастает до 135 ООО.

Перечисленные предположения пока далеки от действительности. Однако быстрое увеличение числа установок, генерирующих электроэнергию, с ис­пользованием тепла продуктов сгорания природного газа для отопления, горячего водоснабжения, производства холода и других целей, а также си­стематическая публикация результатов работы установок и интерес, прояв­ляемый к ним американским обществом инженеров-механиков ASME и аме­риканской газовой ассоциацией, привлекают к ним внимание.

Стоимость электроэнергии, генерируемой в локальных установках, рабо­тающих на природном газе, в ряде случаев в два раза ниже стоимости сетевой электроэнергии [185—187].

Комплексные установки, работающие на природном газе, применяют в Нидерландах в химической и пищевой промышленности. При использова­нии тепла воды охлаждающей рубашки двигаталей и 60% тепла уходящих газов к. п.д. комплексной установки составляет 75—80%.

Вместе с тем следует отметить значительную стоимость сооружения ком­плексных установок, включающих двигатели внутреннего сгорания, электро­генераторы и котлы-утилизаторы тепла уходящих газов. Стоимость 1 кет установленной мощности составляет около 150 долл.

При оснащении комплексных установок газовыми турбинами представ­ляется возможность использования продуктов сгорания, отводимых из газотурбинной установки с температурой порядка 300—500° и содержащих 15—18 % 02, в котельных топках в качестве высокотемпературного источника кислорода для сжигания дополнительного количества природного газа или жидкого топлива под котлами. Чистые продукты сгорания природного газа, отводимые из газотурбинных установок, пригодны для использования в качестве сушильного агента. Это позволяет резко повысить суммарный к. п.д. работы установок при осуществлении комплексной схемы.

Прн к. п.д. газотурбинпой установки, работающей без использования тепла продуктов сгорания, около 17% располагаемое тепло продуктов сгора­ния, отводимых из установки, превышает 80% тепла сжигаемого топлива. При использовании 60% тепла уходящих газов в паровых или водогрейных котлах суммарный к. п.д. установки достигает 65%. А применение продуктов сгорания в качестве сушильного агента позволяет довести суммарный к. п.д. до 90 %.

Отмечается эффективность комплексных методов использования природ­ного газа в газотурбинных установках на алюминиевых заводах, предприя­тиях, вырабатывающих едкий натр и хлор путем электролиза растворов пова­ренной соли, на заводах фосфорной кислоты. Предполагается также исполь­зование тепла уходящих газов для опреснения морской воды.

Значительный интерес к комплексным установкам, работающим на при­родном газе, проявляют в Великобритании, в связи с поступлением газа, добываемого в прибрежных районах Северного моря. 11а крупной табачной фабрике создается установка, оборудованная восьмью газовыми турбинами, используемыми для привода электрогенераторов. Продукты сгорания с со­держанием 18% кислорода намечено направлять в топки паровых котлов, работающих на газообразном или жидком топливе. Установка будет по­треблять 7000 м3 природного газа в час.

Большое внимание комплексным установкам, использующим природный газ, уделяют также в Австралии.