МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра промышленной теплоэнергетики и экологии

РЕФЕРАТ

на тему:
Оценка потенциала использования тепловых отходов металлургических производств для нужд отопления цехов

Выполнил: студент группы ТЭ-20
Иванов А. А.

Проверил: доцент, к.т.н.
Петров П. П.

Город, 2024

СОДЕРЖАНИЕ

Введение
Глава 1. Анализ источников и характеристик тепловых отходов металлургических производств
1.1. Классификация вторичных тепловых энергетических ресурсов
1.2. Характеристика основных источников низкопотенциального тепла
Глава 2. Технологические решения для утилизации вторичного тепла в системах отопления
2.1. Применение теплообменных аппаратов и рекуператоров
2.2. Использование теплонасосных установок для повышения потенциала тепла
2.3. Системы воздушного и лучистого отопления цехов
Глава 3. Расчет энергетического потенциала и технико-экономическая оценка проекта
3.1. Методика расчета тепловой мощности источника и потребности цеха
3.2. Практический расчет системы утилизации тепла охлаждающей воды
3.3. Технико-экономические показатели и экологический эффект
Заключение
Список использованных источников

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Металлургическая промышленность является одной из наиболее энергоемких отраслей мировой экономики. На долю металлургического производства приходится значительная часть потребления первичных топливно-энергетических ресурсов. В процессе переработки сырья и производства готовой продукции огромные объемы энергии теряются в виде тепловых отходов, также называемых вторичными тепловыми энергетическими ресурсами (ВТЭР). 

В условиях постоянного роста цен на энергоносители и ужесточения экологических стандартов снижение удельного энергопотребления становится ключевым фактором конкурентоспособности металлургических предприятий. Одним из наиболее перспективных направлений энергосбережения является утилизация низкопотенциального и среднепотенциального тепла технологических агрегатов для нужд отопления и вентиляции производственных цехов. Использование этого тепла позволяет существенно снизить потребление природного газа или сетевой тепловой энергии от внешних источников, уменьшить эксплуатационные затраты и снизить выбросы парниковых газов в атмосферу.

Цель работы: провести комплексную оценку потенциала использования тепловых отходов металлургических производств для нужд отопления цехов и разработать рекомендации по выбору эффективных технологических решений.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Классифицировать и охарактеризовать основные источники тепловых отходов металлургического производства.
2. Изучить современные технологии и оборудование для утилизации низкопотенциального тепла.
3. Разработать методику и выполнить практический расчет энергетического потенциала источника ВТЭР для отопления производственного цеха.
4. Оценить технико-экономическую и экологическую эффективность внедрения систем утилизации тепла.

Объектом исследования являются системы теплоснабжения и технологические агрегаты металлургического предприятия.
Предметом исследования является энергетический и экономический потенциал тепловых отходов металлургического производства, направляемых на нужды отопления.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ ИСТОЧНИКОВ И ХАРАКТЕРИСТИК ТЕПЛОВЫХ ОТХОДОВ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОИЗВОДСТВ

1.1. Классификация вторичных тепловых энергетических ресурсов

Вторичные энергетические ресурсы (ВЭР) металлургического производства разделяют на три основные группы: горючие (топливные), избыточного давления и тепловые. В рамках данного исследования подробно рассматриваются тепловые ВЭР (ВТЭР), которые представляют собой физическое тепло отходящих газов, раскаленных продуктов (шлака, металла), а также тепло систем охлаждения технологического оборудования.

По температурному уровню тепловые отходы классифицируются на три категории:
1. Высокопотенциальные (температура выше 500 градусов Цельсия). К ним относятся отходящие газы сталеплавильных и нагревательных печей, физическое тепло жидких шлаков и кристаллизующегося металла.
2. Среднепотенциальные (температура от 150 до 500 градусов Цельсия). Это газы после систем рекуперации, тепло уходящих газов котлов-утилизаторов, пар низкого давления.
3. Низкопотенциальные (температура ниже 150 градусов Цельсия). К этой группе относятся сбросная вода систем охлаждения металлургических печей, тепло уходящих газов сушильных установок, вентиляционные выбросы, а также тепло оборотной воды компрессорных станций.

Для нужд отопления цехов наибольший интерес представляют низкопотенциальные и среднепотенциальные источники тепла, так как их температурный диапазон напрямую соответствует требованиям, предъявляемым к теплоносителям в системах отопления и вентиляции зданий.

1.2. Характеристика основных источников низкопотенциального тепла

Основными источниками низкопотенциального тепла на металлургическом предприятии, которые могут быть круглогодично или сезонно использованы для отопления, являются:

1. Системы водяного охлаждения элементов печей. Доменные, конвертерные, электросталеплавильные и методические нагревательные печи требуют непрерывного интенсивного охлаждения своих элементов (фурм, кессонов, сводов, роликов). Вода в этих системах нагревается до температур 40-90 градусов Цельсия. В традиционных схемах это тепло рассеивается в атмосферу на градирнях или в брызгальных бассейнах, что ведет к нерациональным потерям энергии и испарению чистой воды.

2. Уходящие дымовые газы нагревательных и термических печей. После прохождения встроенных рекуператоров дымовые газы часто имеют температуру 150-250 градусов Цельсия. Это тепло может быть утилизировано в экономайзерах для нагрева сетевой воды систем отопления.

3. Оборотная вода компрессорных станций и воздуходувных машин. Компрессорные установки, обеспечивающие предприятие сжатым воздухом и кислородом, выделяют значительное количество тепла при сжатии газов. Охлаждающая вода компрессоров нагревается до 35-50 градусов Цельсия и представляет собой стабильный источник низкопотенциальной тепловой энергии.

4. Вентиляционные выбросы цехов. Воздух, удаляемый системами вытяжной вентиляции из горячих цехов (прокатных, литейных), имеет температуру 25-40 градусов Цельсия. Использование тепла этого воздуха позволяет существенно снизить затраты на нагрев приточного воздуха в зимний период.

Главной особенностью низкопотенциальных источников является несовпадение графиков выделения тепла технологическим оборудованием и графиков теплопотребления системами отопления. Это требует разработки гибких схем аккумулирования и трансформации тепла.

ГЛАВА 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ РЕШЕНИЯ ДЛЯ УТИЛИЗАЦИИ ВТОРИЧНОГО ТЕПЛА В СИСТЕМАХ ОТОПЛЕНИЯ

2.1. Применение теплообменных аппаратов и рекуператоров

Прямая утилизация тепла осуществляется с помощью теплообменных аппаратов различной конструкции. Выбор типа теплообменника зависит от агрегатного состояния и физико-химических свойств теплоносителей.

Для утилизации тепла чистых жидких сред (например, химически очищенной воды систем охлаждения) наиболее эффективны пластинчатые теплообменники. Они обладают высоким коэффициентом теплопередачи, компактностью и возможностью легкой разборки для очистки. Коэффициент теплопередачи в таких аппаратах может достигать 3000-5000 Вт/(м²·°С).

Для утилизации тепла запыленных дымовых газов применяются кожухотрубные теплообменники или рекуператоры с гладкими или ребристыми трубами. В случае высокой запыленности газов используются радиационные рекуператоры, в которых теплопередача происходит преимущественно излучением, что снижает риск забивания каналов золой и пылью.

При утилизации тепла вентиляционных выбросов применяются перекрестноточные пластинчатые рекуператоры или системы с промежуточным теплоносителем (гликолевые контуры), которые позволяют физически разделить каналы приточного и удаляемого воздуха, исключая перенос загрязнений.

2.2. Использование теплонасосных установок для повышения потенциала тепла

Если температура источника вторичного тепла слишком низка для непосредственного использования в традиционных системах отопления (например, охлаждающая вода с температурой 30-40 градусов Цельсия), применяются теплонасосные установки (ТНУ).

Тепловой насос работает по термодинамическому циклу сжатия пара и позволяет переносить тепловую энергию от низкопотенциального источника к потребителю с более высокой температурой, затрачивая при этом некоторое количество механической или электрической энергии.

Эффективность работы теплового насоса оценивается коэффициентом преобразования (отопительным коэффициентом) $\varphi$, который определяется как отношение полученной полезной тепловой энергии к затраченной электрической мощности:
$$\varphi = \frac{Q_h}{W_e}$$
где $Q_h$ — тепловая мощность, отдаваемая потребителю в конденсаторе ТНУ, Вт;
$W_e$ — электрическая мощность, потребляемая компрессором, Вт.

Для оценки термодинамического предела эффективности используется идеальный цикл Карно, где максимальный теоретический коэффициент преобразования равен:
$$\eta_C = \frac{T_h}{T_h - T_c}$$
где $T_h$ — абсолютная температура конденсации (горячий источник), К;
$T_c$ — абсолютная температура испарения (холодный источник), К.

В реальных ТНУ коэффициент преобразования составляет от 3.0 до 5.5, что делает их крайне выгодными. Использование ТНУ позволяет нагревать воду для систем отопления до 60-80 градусов Цельсия, утилизируя теплоту оборотной воды с температурой 25-35 градусов Цельсия.

2.3. Системы воздушного и лучистого отопления цехов

Традиционное водяное отопление с помощью радиаторов малоэффективно в высоких и объемных металлургических цехах (высота которых часто превышает 10-15 метров). В таких условиях теплый воздух поднимается в верхнюю зону здания (под кровлю), создавая значительный градиент температур по высоте, что ведет к повышенным теплопотерям через перекрытия.

Для отопления крупных цехов целесообразно применять следующие системы:

1. Воздушное отопление, совмещенное с приточной вентиляцией. Нагрев воздуха осуществляется в калориферах, подключенных к контуру утилизации тепла. Воздух подается непосредственно в рабочую зону цеха, обеспечивая подвижность воздушной среды и требуемые санитарно-гигиенические параметры.

2. Системы водяного лучистого отопления (излучающие панели). Потолочные излучающие панели представляют собой металлические листы с закрепленными на них трубами, по которым циркулирует горячая вода с температурой 60-90 градусов Цельсия. Тепло передается в рабочую зону инфракрасным излучением. Это позволяет поддерживать комфортную температуру на уровне пола при более низкой температуре воздуха в цехе, что снижает расход тепла на 15-20%. Данные системы идеально сочетаются с тепловыми насосами, так как требуют относительно низких температур теплоносителя.

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ПОТЕНЦИАЛА И ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА ПРОЕКТА

3.1. Методика расчета тепловой мощности источника и потребности цеха

Для оценки возможности использования тепловых отходов необходимо сопоставить располагаемую тепловую мощность источника ВТЭР и тепловую нагрузку на отопление здания.

Тепловая нагрузка на отопление производственного цеха определяется по формуле:
$$Q_{heat} = q \cdot V \cdot (t_{int} - t_{ext})$$
где $q$ — удельная отопительная характеристика здания, Вт/(м³·°С);
$V$ — объем здания по наружному обмеру, м³;
$t_{int}$ — расчетная температура внутреннего воздуха в рабочей зоне цеха, °С;
$t_{ext}$ — расчетная температура наружного воздуха для проектирования отопления (наиболее холодной пятидневки), °С.

Располагаемая тепловая мощность источника низкопотенциального тепла (например, потока охлаждающей воды) рассчитывается по формуле:
$$Q_{source} = G \cdot \rho \cdot c_p \cdot (t_1 - t_2)$$
где $G$ — объемный расход охлаждающей воды, м³/с;
$\rho$ — плотность воды, кг/м³;
$c_p$ — удельная теплоемкость воды, Дж/(кг·°С);
$t_1$ — температура воды на входе в установку утилизации, °С;
$t_2$ — температура воды на выходе из установки утилизации (после охлаждения), °С.

3.2. Практический расчет системы утилизации тепла охлаждающей воды

Рассмотрим практический пример оценки потенциала использования тепла охлаждающей воды методической нагревательной печи прокатного цеха для отопления соседнего вспомогательного блока цеха.

Дано:
Объем отапливаемого здания: $V = 45000$ м³.
Удельная отопительная характеристика: $q = 0.35$ Вт/(м³·°С).
Расчетная температура внутри здания: $t_{int} = 18$ °С.
Расчетная температура наружного воздуха: $t_{ext} = -22$ °С.
Расход охлаждающей воды от печи: $G_w = 60$ м³/ч.
Температура воды на выходе из системы охлаждения печи: $t_1 = 42$ °С.
Допустимая температура охлаждения воды перед возвратом в оборотный контур: $t_2 = 32$ °С.
Плотность воды: $\rho = 1000$ кг/м³.
Удельная теплоемкость воды: $c_p = 4187$ Дж/(кг·°С).
Коэффициент преобразования теплового насоса: $\varphi = 4.2$.

Решение:

1. Определим расчетную тепловую нагрузку на отопление здания цеха:
$$Q_{heat} = 0.35 \cdot 45000 \cdot (18 - (-22))$$
$$Q_{heat} = 0.35 \cdot 45000 \cdot 40 = 630000 \text{ Вт} = 630 \text{ кВт}$$

2. Переведем расход охлаждающей воды в единицы системы СИ (м³/с):
$$G = \frac{60}{3600} \approx 0.0167 \text{ м}^3/\text{с}$$

3. Рассчитаем располагаемую тепловую мощность источника низкопотенциального тепла при охлаждении воды на 10 °С:
$$Q_{source} = 0.0167 \cdot 1000 \cdot 4187 \cdot (42 - 32)$$
$$Q_{source} = 0.0167 \cdot 1000 \cdot 4187 \cdot 10 \approx 699229 \text{ Вт} \approx 699.2 \text{ кВт}$$

4. Поскольку температура источника (42 °С) недостаточна для прямой подачи в стандартные калориферы, применим теплонасосную установку. Рассчитаем тепловую мощность, которую ТНУ может выдать потребителю, с учетом затрат электрической энергии на привод компрессора.
Связь между мощностью источника (испарителя ТНУ) и мощностью конденсатора (потребителя) выражается соотношением:
$$Q_{heat\_hp} = Q_{source} \cdot \frac{\varphi}{\varphi - 1}$$
Подставим значения:
$$Q_{heat\_hp} = 699.2 \cdot \frac{4.2}{4.2 - 1} = 699.2 \cdot \frac{4.2}{3.2} \approx 917.7 \text{ кВт}$$

5. Определим потребную электрическую мощность компрессора ТНУ:
$$W_e = \frac{Q_{heat\_hp}}{\varphi} = \frac{917.7}{4.2} \approx 218.5 \text{ кВт}$$

6. Сравним полученную тепловую мощность ТНУ с потребностью здания в отоплении:
Располагаемая мощность ТНУ ($Q_{heat\_hp} = 917.7$ кВт) превышает расчетную потребность здания в отоплении ($Q_{heat} = 630$ кВт). Это означает, что потенциала источника полностью достаточно для покрытия отопительной нагрузки даже в самую холодную пятидневку, а избыток тепла (около 287.7 кВт) может быть направлен на нужды горячего водоснабжения или отопление других помещений.

Ответ: Потенциал источника ВТЭР полностью покрывает отопительную нагрузку здания в 630 кВт, обеспечивая выдачу до 917.7 кВт тепловой мощности при потреблении 218.5 кВт электроэнергии.

3.3. Технико-экономические показатели и экологический эффект

Внедрение теплонасосной установки вместо использования традиционной котельной на природном газе дает существенный экономический и экологический эффект.

Экономический эффект складывается из разницы стоимости замещенного природного газа и затраченной электроэнергии.
Пусть стоимость природного газа составляет 8 рублей за м³, теплотворная способность газа — 34.3 МДж/м³ (9.5 кВт·ч/м³), КПД газового котла — 90%. Стоимость электроэнергии — 6 рублей за кВт·ч.

За отопительный сезон (продолжительностью 4800 часов со средней нагрузкой 350 кВт) потребление тепла составит:
$$E_{heat} = 350 \cdot 4800 = 1680000 \text{ кВт}\cdot\text{ч}$$

Для выработки этого тепла газовой котельной потребовалось бы количество газа:
$$V_{gas} = \frac{1680000}{9.5 \cdot 0.9} \approx 196491 \text{ м}^3$$
Затраты на газ составят: $196491 \cdot 8 = 1571928$ рублей.

При использовании ТНУ со средним сезонным коэффициентом преобразования $\varphi = 4.2$, расход электроэнергии составит:
$$E_{el} = \frac{1680000}{4.2} = 400000 \text{ кВт}\cdot\text{ч}$$
Затраты на электроэнергию составят: $400000 \cdot 6 = 2400000$ рублей.

В данном случае, из-за высокого тарифа на электроэнергию по сравнению с газом, прямые эксплуатационные затраты могут быть выше. Однако, если на предприятии имеется собственная генерация электроэнергии (ТЭЦ или утилизационные турбины), себестоимость электроэнергии существенно ниже (например, 2.5 рубля за кВт·ч). При тарифе 2.5 рубля за кВт·ч затраты составят:
$400000 \cdot 2.5 = 1000000$ рублей, что дает чистую экономию 571928 рублей в год.

Экологический эффект заключается в снижении выбросов углекислого газа ($CO_2$). При сжигании 1 м³ природного газа выделяется около 1.85 кг $CO_2$. Снижение потребления газа на 196491 м³ предотвратит выброс:
$$M_{CO2} = 196491 \cdot 1.85 \approx 363508 \text{ кг} = 363.5 \text{ тонн } CO_2 \text{ в год}$$

Дополнительно снижается тепловое загрязнение окружающей среды, так как тепло оборотной воды не рассеивается на градирнях.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения работы была проведена комплексная оценка потенциала использования тепловых отходов металлургических производств для нужд отопления цехов. На основе проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1. Металлургические предприятия обладают колоссальным потенциалом вторичных тепловых ресурсов. Наиболее перспективным и стабильным источником низкопотенциального тепла для систем отопления является охлаждающая вода технологического оборудования (печей, компрессоров) с температурой 30-50 градусов Цельсия.

2. Прямое использование низкопотенциального тепла ограничено температурным уровнем, однако применение парокомпрессионных тепловых насосов позволяет эффективно трансформировать это тепло, повышая его температуру до 60-80 градусов Цельсия, что достаточно для современных систем воздушного и лучистого отопления.

3. Проведенный практический расчет показал, что утилизация тепла охлаждающей воды методической печи с расходом 60 м³/ч с помощью теплового насоса позволяет полностью покрыть отопительную нагрузку вспомогательного здания объемом 45000 м³, обеспечивая тепловую мощность до 917.7 кВт при потреблении 218.5 кВт электроэнергии.

4. Внедрение систем утилизации тепла ВЭР обеспечивает значительный экологический эффект, сокращая выбросы парниковых газов (в рассмотренном примере — на 363.5 тонн $CO_2$ в год) и снижая тепловую нагрузку на атмосферу от градирен предприятия. Экономическая эффективность проектов утилизации тепла тесно связана с соотношением тарифов на топливо и электроэнергию на предприятии и максимальна при наличии собственной генерации электроэнергии.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Соколов Е. Я. Теплофикация и тепловые сети: учебник для вузов. – М.: Издательский дом МЭИ, 2009. – 472 с.
2. Бродянский В. М. Эксергетический метод и его приложения. – М.: Энергоатомиздат, 1988. – 288 с.
3. Деев Л. В., Балахничев Н. А. Котельные установки и их обслуживание. – М.: Академия, 2014. – 320 с.
4. СП 60.13330.2020. Отопление, вентиляция и кондиционирование воздуха. Актуализированная редакция СНиП 41-01-2003. – М.: Минстрой России, 2020.
5. Гольмшток В. М. Использование вторичных энергетических ресурсов в металлургии. – М.: Металлургия, 1991. – 224 с.
6. Клименко А. В., Зорин В. М. Теоретические основы теплотехники. Теплотехнический эксперимент. – М.: МЭИ, 2001. – 564 с.