Затраты на электроэнергию являются самой крупной статьей эксплуатационных расходов газовой печи с подовым теплообменником. Для печи мощностью 5 МВт, работающей 6000 часов в год на природном газе по цене 0,35 доллара за кубический метр, годовой счет за газ составляет около 400 000–500 000 долларов. Сокращение этих расходов на 15–25% позволит сэкономить от 60 000 до 125 000 долларов в год — этого достаточно, чтобы оплатить полную модернизацию системы управления в течение двух-трех лет.
Компания MONTE INTELLIGENCE провела энергетические аудиты десятков печей с подом на тележках. Мы обнаружили, что большинство печей старше пяти лет имеют возможности для повышения энергоэффективности, о которых операторы не знают. В этой статье объясняется наша методология аудита и наиболее распространенные результаты.
Энергетический аудит начинается с расчета теплового баланса. Для печи периодического действия, обрабатывающей одну загрузку за цикл, подводимыми тепловыми потоками являются энергия от сгорания топлива, явная теплота воздуха для сгорания (если он предварительно нагрет) и тепло, выделяемое при окислении обрабатываемой массы (незначительное, обычно игнорируется). Выходными тепловыми потоками являются полезная теплота, поглощаемая обрабатываемой массой, теплота, теряемая в дымовых газах, теплота, теряемая через стенки и дверцу печи, теплота, теряемая при проникновении воздуха, теплота, аккумулированная в конструкции печи (выделяемая при охлаждении, но теряемая между циклами), и теплота, теряемая через отверстия, уплотнения и другие пути.
Полезное тепло — энергия, которая фактически нагревает заготовки, — рассчитывается исходя из массы заготовки, удельной теплоемкости и повышения температуры. Для 20-тонной партии стали, нагретой с 20°C до 850°C со средней удельной теплоемкостью 0,55 кДж/кг·К, полезное тепло составляет 20 000 × 0,55 × 830 = 9130 МДж, или около 2536 кВт·ч — примерно 260 кубических метров природного газа в эквиваленте.
Общий расход газа за цикл измеряется газовым счетчиком печи. Если счетчик показывает 520 кубических метров, то КПД печи составляет 260/520 = 50%. Оставшиеся 260 кубических метров — примерно 90 долларов за цикл — теряются по различным путям теплопотери. Аудит выявляет и количественно оценивает эти пути потерь, чтобы определить, где существуют возможности для экономии.
Потери тепла через дымовые газы, как правило, являются крупнейшим источником потерь, составляя 30-50% от общего потребления газа. Дымовые газы выходят из печи при температуре, близкой к рабочей температуре печи — если печь работает при 1000 °C, то температура дымовых газов может составлять 900-950 °C — унося с собой большое количество явного тепла. Теплосодержание можно рассчитать, исходя из расхода, температуры и состава дымовых газов.
Снижение потерь дымовых газов включает в себя две стратегии: уменьшение избытка воздуха и рекуперацию тепла из дымовых газов. Избыток воздуха — это воздух, подаваемый сверх стехиометрической потребности для сгорания. При 50% избытке воздуха — распространенном значении — объем дымовых газов примерно на 30% больше, чем при 10% избытке воздуха, и дополнительный воздух необходимо нагреть от температуры окружающей среды до температуры дымовых газов. Снижение избытка воздуха с 50% до 10% может повысить эффективность печи на 3-5%. Для этого требуется регулирование подачи кислорода на горелке — лямбда-зонд в дымоходе, который обеспечивает обратную связь в реальном времени с заслонкой подачи воздуха для сгорания.
В системах рекуперации отработанного тепла используется рекуператор или регенератор для передачи тепла от дымовых газов к воздуху для сгорания. Предварительный нагрев воздуха для сгорания до 400°C может повысить эффективность печи на 15-25%, поскольку предварительно нагретый воздух уменьшает количество топлива, необходимого для достижения температуры сгорания. Рекуператоры — газогазовые теплообменники, обычно кожухотрубного или пластинчатого типа — являются наиболее распространенной технологией и могут обеспечить эффективность рекуперации тепла на уровне 50-60%. Регенеративные горелки, использующие керамические фильтрующие элементы, которые попеременно поглощают и выделяют тепло, могут обеспечить эффективность рекуперации на уровне 80-90%, но с более высокими капитальными затратами.
Теплопотери через стенки зависят от толщины огнеупорного материала, теплопроводности и температуры внешней стенки. Для печи, работающей при 1000°C с 300 мм керамической волоконной изоляции (теплопроводность 0,15 Вт/м·К при средней температуре), теплопотери через стенки составляют приблизительно 500 Вт на квадратный метр. Для печи с площадью стенок 100 квадратных метров это составляет 50 кВт непрерывных потерь — около 4,3 кубических метров газа в час, или примерно 1,50 доллара в час.
Измерение температуры наружной поверхности стены с помощью инфракрасного термометра — это простой метод проверки. Любой участок стены, температура которого превышает среднюю более чем на 20 °C, указывает на зазор в изоляции, неисправность крепления или перегрев, вызванный воздействием пламени внутренней горелки на стену. Эти перегревы можно устранить во время планового отключения, заменив поврежденные изоляционные модули.
Утечка через дверь и уплотнение — это наиболее сложный для количественной оценки путь потери энергии, но зачастую самый простой для устранения. Зазор в 3 мм по периметру двери размером 4 на 3 метра имеет площадь около 0,042 квадратных метра. При типичном давлении в печи 10 Па утечка горячего газа через этот зазор уносит значительную часть энергии — приблизительно 10-15 кВт для печи с температурой 1000°C. Решение заключается в замене уплотнения двери — работа, которая занимает у ремонтной бригады около четырех часов и стоит несколько сотен долларов на материалы.
Проникновение воздуха — проникновение холодного воздуха в печь через щели в конструкции, вокруг дверцы, вокруг горелочных колодцев и через смотровые люки — является скрытым похитителем энергии. Проникающий воздух не только отводит тепло (холодный воздух вытесняет горячий газ, который должен выйти), но и вызывает окисление обрабатываемого материала и может создавать неравномерные температурные зоны. Анализ продуктов сгорания косвенно подтверждает проникновение воздуха: если содержание кислорода в дымовых газах выше, чем ожидалось, исходя из настроек горелки, то дополнительный кислород поступает за счет проникновения воздуха.
В аудиторском отчете должен быть представлен приоритетный список мер по энергосбережению (МЭС) с указанием предполагаемой стоимости, предполагаемой экономии и простого срока окупаемости. Типичные МЭС для печи с подом на тележке, в порядке возрастания срока окупаемости, включают: ремонт уплотнений дверцы (срок окупаемости <1 месяца), регулировку соотношения воздуха и газа в горелке (срок окупаемости <3 месяцев), ремонт очагов перегрева огнеупорных материалов (срок окупаемости 3-6 месяцев), установку регулятора подачи кислорода (срок окупаемости 6-12 месяцев) и установку рекуператора (срок окупаемости 12-24 месяца).
Компания MONTE INTELLIGENCE предлагает услуги по энергетическому аудиту, включающие измерения на месте, расчет теплового баланса, выявление факторов, способствующих энергосбережению, и поддержку в реализации проектов.
Чтобы заказать энергетический аудит вашей печи с подвижным подом, свяжитесь с нами по адресу helenxu@cnlymonte.com.
