Использование теплоты уходящих газов в промышленных котельных работающих на газу

Использование теплоты уходящих газов в промышленных котельных работающих на газу

к.т.н Сизов В.П., д.т.н Южаков А.А., к.т.н Капгер И.В.,
ООО "Пермавтоматика", sizovperm@mail.ru

Аннотация: цена на природный газ во всём мире значительно различается. Это зависит от членства страны в ВТО, экспортирует или импортирует свой газ страна, затраты на добычу газа, состоянием промышленности, политическими решениями и пр. Цена на газ в РФ в связи вступлением нашей страны в ВТО будет только расти и в планах правительства уравнять цены на природный газ как в нутрии страны так и за её пределами. Приблизительно сравним цены на газ в Европе и России.

Россия – 3 руб/м 3 .

Германия - 25 руб/м 3 .

Дания – 42 руб/м 3 .

Украина, Белорусия – 10 руб/м 3 .

Цены достаточно условные. В Европейских странах массово используются котлы конденсационного типа, общая доля их в процессе выработки тепла достигает 90%. В России данные котлы в основном не используются в связи с дороговизной котлов, низкой стоимости газа и высокотемпературными централизованными сетями. А также сохранением системы лимитирования сжигания газа на котельных.

В настоящее время вопрос о более полном использовании энергии теплоносителей становится все более актуален. Выброс тепла в атмосферу не только создает дополнительное давление на окружающую среду, но и увеличивает затраты владельцев котельных. В тоже время современные технологии позволяют более полно использовать теплоту уходящих газов и увеличить КПД котла, рассчитанного по низшей теплоте сгорания, вплоть до значения в 111 %. Потеря теплоты с уходящими газами занимает основное место среди тепловых потерь котла и составляет 5¸12 % вырабатываемой теплоты . Дополнительно к этому может быть использована теплота конденсации водяных паров, которые образуются при сжигании топлива. Количество выделяемой теплоты при конденсации водяных паров зависит от вида топлива и находится в пределах от 3,8% для жидких топлив и до 11,2 % для газообразных (у метана) и определяется как разность между высшей и низшей теплотой сгорания топлива (табл. 1).

Таблица 1 - Величины высшей и низшей теплоты сгорания для различных видов топлива

Получается, что в уходящих газах содержится как явная теплота, так и скрытая. Причем последняя может достигать величины, превосходящей в некоторых случаях явную теплоту. Явная теплота - это теплота, при которой изменение количества тепла, подведенного к телу, вызывает изменение его температуры. Скрытая теплота - теплота парообразования (конденсации), которая не изменяет температуру тела, а служит для изменения агрегатного состояния тела. Данное утверждение иллюстрируется графиком (рис. 1, на котором по оси абсцисс отложена энтальпия (количество подведенного тепла), а по оси ординат - температура).

Рис. 1 – Зависимость изменения энтальпии для воды

На участке графика А-В происходит нагрев воды от температуры 0 °С до температуры 100 °С. При этом все тепло, подведенное к воде, используется для повышения ее температуры. Тогда изменение энтальпии определяется по формуле (1)

(1)

где с – теплоемкость воды, m – масса нагреваемой, Dt – перепад температуры.

Участок графика В-С демонстрирует процесс кипения воды. При этом все тепло, подведенное к воде, расходуется на преобразование ее в пар, температура при этом остается постоянной - 100 °С. Участок графика C-D показывает, что вся вода превратилась в пар (выкипела), после этого тепло расходуется на повышение температуры пара. Тогда изменение энтальпии для участка А-С характеризуется формулой (2)

где r = 2500 кДж/кг – скрытая теплота парообразования воды при атмосферном давлении.

Самая большая разница между высшей и низшей теплотой сгорания, как видно из табл. 1, у метана, поэтому природный газ (до 99% метана) дает самую большую рентабельность. Отсюда все дальнейшие выкладки и выводы будут даны для газа на основе метана. Рассмотрим реакцию горения метана (3)

Из уравнения этой реакции следует, что для окисления одной молекулы метана необходимо две молекулы кислорода, т.е. для полного сжигания 1м 3 метана необходимо 2м 3 кислорода. В качестве окислителя при сжигании топлива в котельных агрегатах используется атмосферный воздух, который представляет смесь газов. Для технических расчетов обычно принимают условный состав воздуха из двух компонентов : кислорода (21 об. %) и азота (79 об. %). С учетом такова состава воздуха для проведения реакции горения для полного сжигания газа потребуется воздуха по объему в 100/21=4,76 раза больше, чем кислорода. Таким образом, для сжигания 1м 3 метана потребуется 2×4,76=9,52 воздуха. Как видно из уравнения реакции окисления, в результате получается углекислый газ, водяной пар (дымовые газы) и тепло. Теплота, которая выделяется при сгорании топлива согласно (3), называется низшей теплотой сгорания топлива (PCI).

Если охлаждать водяные пары, то при определенных условиях они начнут конденсироваться (переходить из газообразного состояния в жидкое) и при этом будет выделяться дополнительное количество теплоты (скрытая теплота парообразования/конденсации) рис. 2.

Рис. 2 – Выделение теплоты при конденсации водяного пара

Следует иметь ввиду, что водяные пары в дымовых газах имеют несколько другие свойства, чем чистый водяной пар. Они находятся в смеси c другими газами и их параметры отвечают параметрам смеси. Поэтому температура, при которой начинается конденсация, отличается от 100 °С. Значение этой температуры зависит от состава дымовых газов, что, в свою очередь, является следствием вида и состава топлива, а также коэффициента избытка воздуха.
Температура дымовых газов, при которой начинается конденсация водяных паров в продуктах сгорания топлива, называется точкой росы и имеет вид рис.3.

Рис. 3 – Точка росы для метана

Следовательно, для дымовых газов представляющих собой смесь газов и водяного пара, энтальпия меняется несколько по другому закону (рис. 4).

Рисунок 4 – Выделение теплоты из паровоздушной смеси

Из графика на рис. 4 можно сделать два важных вывода. Первое – температура точки росы равна температуре до которой охладили дымовые газы. Второе – не обязательно проходить, как на рис. 2, всю зону конденсации, что не только практически невозможно но и не нужно. Это, в свою очередь, обеспечивает различные возможности реализации теплового баланса. Другими словами, для охлаждения дымовых газов можно использовать практически любой небольшой объем теплоносителя.

Из вышесказанного можно сделать вывод, что при расчете КПД котла по низшей теплоте сгорания с последующей утилизацией теплоты уходящих газов и водяных паров можно значительно увеличить КПД (более 100%). На первый взгляд это противоречит законам физики, но на самом деле никакого противоречия здесь нет. КПД таких систем нужно рассчитывать по высшей теплоте сгорания, а определение КПД по низшей теплоте сгорания необходимо проводить только в том случае, если необходимо сравнить его КПД с КДП обычного котла. Только в этом контексте имеет смысл КПД > 100%. Считаем, что для таких установок более правильно приводить два КПД. Постановка задачи может быть сформулирована следующим образом. Для более полного использования теплоты сгорания уходящих газов их необходимо охладить до температуры ниже точки росы. При этом водяные пары, образующиеся при сжигании газа, сконденсируются и передадут теплоносителю скрытую теплоту парообразования. При этом охлаждение дымовых газов должно осуществляется в теплообменниках специальной конструкции, зависящей в основном от температуры уходящих газов и температуры охлаждающей воды. Применение воды в качестве промежуточного теплоносителя является наиболее привлекательным, т.к в этом случае возможно использовать воду с максимально низкой температурой. В результате возможно получить температуру воды на выходе из теплообменника, например, 54°С с последующим ее использованием. В случае использования в качестве теплоносителя обратной линии, ее температура должна быть как можно ниже, а это зачастую возможно только при наличии низкотемпературных систем отопления в качестве потребителей.

Дымовые газы котельных агрегатов большой мощности, как правило, отводятся в железобетонную или кирпичную трубу. Если не принять специальных мер по последующему нагреву частично осушенных дымовых газов, то труба превратится в конденсационный теплообменник со всеми вытекающими последствиями . Для решения этого вопроса существуют два пути. Первый путь заключается в применении байпаса, в котором часть газов, например 80%, пропускается через теплообменник, а другая часть, в размере 20%, пропускается по байпасу и затем смешивается с частично осушенными газами. Тем самым, нагревая газы, мы сдвигаем точку росы до необходимой температуры при которой труба гарантированно будет работать в сухом режиме. Второй способ заключается в применении пластинчатого рекуператора . При этом уходящие газы несколько раз проходят рекуператор, тем самым нагревая сами себя.

Рассмотрим пример расчета 150 м типовой трубы (рис. 5-7), имеющей трехслойную конструкцию. Расчеты выполнены в программном пакете Ansys-CFX. Из рисунков видно, что движение газа в трубе имеет ярко выраженный турбулентный характер и как следствие, минимальная температура на футеровке может быть не в районе оголовка, как следует из упрощенной эмпирической методики .

Рис. 7 – температурное поле на поверхности футеровки

Следует отметить, что при установке теплообменника в газовый тракт возрастет его аэродинамическое сопротивление, но снижается объем и температура уходящих газов. Это приводит к уменьшению тока дымососа. Образование конденсата накладывает специальные требования на элементы газового тракта в плане применения корозионно-стойких материалов. Количество конденсата приблизительно равно 1000-600 кг/час на 1 Гкал полезной мощности теплообменника . Значение рН конденсата продуктов сгорания при сжигании природного газа составляет 4.5-4.7, что соответствует кислой среде. В случае небольшого количества конденсата, возможно использовать для нейтрализации конденсата сменные блоки. Однако для крупных котельных необходимо применять технологию дозирования каустической соды . Как показывает практика небольшие объемы конденсата можно использовать в качестве подпитки без всякой нейтрализации.

Следует подчеркнуть, что основной проблемой при проектировании отмеченных выше систем является слишком большая разница энтальпии на единицу объёма веществ, и вытекающая из этого техническая задача - развитие поверхности теплообмена со стороны газа. Промышленность РФ серийно выпускает подобные теплообменники типа КСК, ВНВ и пр. . Рассмотрим на сколько развита поверхность теплообмена со стороны газа на действующей конструкции (рис.8). Обыкновенная трубка, внутри которой протекает вода (жидкость), а с наружи по рёбрам радиатора обтекает воздух (отходящие газы). Рассчитанное соотношение калорифера будет выражаться неким

Рис. 8 – чертёж трубки калорифера.

коэффициентом

K=S нар /S вн, (4),

где S нар – наружная площадь теплообменника мм 2 , а S вн – внутренняя площадь трубки.

При геометрических расчётах конструкции получаем K=15. Это значит что внешняя площадь трубки в 15 раз больше внутренней площади. Это объясняется тем, что энтальпия воздуха на единицу объёма во много раз меньше энтальпии воды, на единицу объёма. Рассчитаем во сколько раз энтальпия литра воздуха меньше энтальпии литра воды. Из

энтальпия воды: Е в = 4,183 КДж/л*К.

энтальпия воздуха: Е воз = 0,7864 Дж/л*К. (при температуре 130 0 С).

Отсюда энтальпия воды в 5319 раз больше, чем энтальпия воздуха, и поэтому K=S нар /S вн . В идеальном случае в таком теплообменнике коэффициент К должен быть 5319, но так как внешняя поверхность по отношению к внутренней развита в 15 раз, то разность в энтальпии по сути между воздухом и водой уменьшается до значения K= (5319/15)= 354. Технически развить соотношение площадей внутренней и внешней поверхности до получения соотношения K=5319 очень трудно или практически невозможно . Для решения этой проблемы попытаемся искусственно увеличить энтальпию воздуха (отходящих газов). Для этого распылим из форсунки в отходящий газ воду (конденсат этого же газа). Распылим его такое количество по отношению к газу, что вся распыленная вода полностью испарится в газе и относительная влажность газа станет 100%. Относительную влажность газа возможно рассчитать основываясь на табл.2.

Таблица 2. Значения абсолютной влажности газа с относительной влажностью по воде 100% при различных температурах и атмосферном давлении.

Из рис.3 видно, что при очень качественной горелке, возможно добиться температуры точки росы в отходящих газах Т рос = 60 0 С. При этом температура этих газов составляет 130 0 С. Абсолютное содержание влаги в газе (согласно табл. 2) при Т рос = 60 0 С составит 129,70 гр/м 3 . Если в этом газе распылить воду, то температура его резко упадёт, плотность вырастет, а энтальпия резко повысится. Следует отметить, что распылять воду выше относительной влажности 100% не имеет смысла, т.к. при превышении порога относительной влажности свыше 100% распыляемая вода перестанет испаряться в газ. Проведем небольшой расчет требуемого количества распыляемой воды для следующих условий: Т гн – температура газа начальная равная 120 0 С, Т рос - точка росы газа 60 0 С (129,70 гр/м 3), требуется найти: Т гк - конечную температуру газа и М в - массу воды распылённую в газе (кг.)

Решение. Все расчёты проводим относительно 1 м 3 газа. Сложность расчётов определяется тем, что в результате распыления меняется как плотность газа, так и его теплоёмкость, объём и пр. Кроме того считается что испарение происходит в абсолютно сухом газе, а также не учитывается энергия на нагрев воды.

Рассчитаем количество энергии отданное газом воде при испарении воды

где: с –теплоёмкость газа (1 КДж/кг.К), m –масса газа (1 кг/м 3)

Рассчитаем количество энергии отданное водой при испарении в газ

где: r – скрытая энергия парообразования (2500 КДж/кг), m – масса испаряемой воды

В итоге подстановки получаем функцию

(5)

При этом нужно учитывать, что невозможно распылить воды более, чем указано в табл.2, а в газе уже имеется испарённая вода. Путем подбора и расчётов нами было получено значение m = 22 гр, Т гк = 65 0 С. Посчитаем фактическую энтальпию полученного газа, с учётом, что его относительная влажность 100% и при его охлаждении будет выделяться как скрытая, так и явная энергия. Тогда согласно получим сумму двух энтальпий. Энтальпию газа и энтальпию сконденсировавшейся воды.

Е воз =Ег+Евод

Ег находим из справочной литературы 1,1 (КДж/м 3 *К)

Евод рассчитываем относительно табл. 2. У нас газ остывая с 65 0 С до64 0 С выделяет 6,58 гр воды. Энтальпия конденсации составляет Евод=2500 Дж/гр или в нашем случае Евод=16.45 КДж/м 3

Суммируем энтальпию сконденсировавшейся воды и энтальпию газа.

Е воз =17,55 (Дж/л*К)

Как мы видно путём распыления воды, нам удалось увеличить энтальпию газа в 22,3 раза. Если до распыления воды энтальпия газа составляла Е воз = 0,7864 Дж/л*К. (при температуре 130 0 С). То после распыления энтальпия составляет Е воз =17,55 (Дж/л*К). А это означает, что для получения той же тепловой энергии на том же стандартном теплообменнике типа КСК, ВНВ площадь теплообменника возможно снизить в 22,3 раза. Пересчитанный коэффициент К (величина была равна 5319) становится равным 16. А при таком коэффициенте теплообменник приобретает вполне реализуемые размеры.

Еще одним важным вопросом при создании подобных систем является анализ процесса распыления, т.е. какого диаметра необходима капля при испарении воды в газе. Если достаточно мелкая капля (например, 5 мкМ), то срок жизни этой капли в газе до полного испарения достаточно короткий. А если капля имеет размер, например, 600 мкМ, то естественно в газе до полного испарения она находится намного дольше. Решение данной физической задачи достаточно осложнено тем, что процесс испарения происходит с постоянно меняющимися характеристиками: температуры, влажности, диаметра капли и пр. Для указанного процесса решение представлено в , а формула для расчёта времени полного испарения () капли имеет вид

(6)

где: ρ ж - плотность жидкости (1 кг/дм 3), r – энергия парообразования (2500 кДж/кг), λ г - теплопроводность газа (0,026 Дж/м 2 К), d 2 – диаметр капли (м), Δt – средняя разница температуры между газом и водой (К).

Тогда согласно (6) время жизни капли диаметром 100 мкМ. (1*10 -4 м) составляет τ = 2*10 -3 часа или 1,8секунды, а время жизни капли диаметром 50 мкМ. (5*10 -5 м) равно τ = 5*10 -4 часа или 0,072секунды. Соответственно зная время жизни капли, скорость полёта её в пространстве, скорость потока газа и геометрические размеры газохода можно легко рассчитать оросительную систему для газохода.

Ниже рассмотрим реализацию конструкции системы с учетом полученных выше соотношений. Считается что, теплообменник отходящих газов должен работать в зависимости от уличной температуры, в противном случае происходит разрушение домовой трубы при образовании в ней конденсата. Однако возможно изготовить теплообменник работающий в независимости от уличной температуры и имеющий более качественный съём тепла отходящих газов, даже до отрицательных температур, при том что температура отходящих газов будет, например +10 0 С (точка росы этих газов составит 0 0 С). Это обеспечивается за счет того, что при теплообмене на контроллере происходит расчёт точки росы, энергии теплообмена и других параметров. Рассмотрим технологическую схему предложенной системы (рис. 9).

Согласно технологической схеме в теплообменнике установлены: регулируемые шиберы а-б-в-г; теплоутилизаторы д-е-ж; датчики температуры 1-2-3-4-5-6; оОроситель (насос Н, и группа форсунок); контроллер управления.

ОРассмотрим функционирование предложенной системы. Пусть от котла выходят отходящие газы. например, температурой 120 0 С и точкой росы 60 0 С (на схеме обозначено 120/60) Датчик температуры (1) измеряет температуру отходящих газов котла. Точка росы рассчитывается контроллером относительно стехиометрии горения газа. На пути газа появляется шибер (а). Это аварийный шибер. который закрывается в случае ремонта оборудования, неисправности, капремонта, ППР и пр. Таким образом, шибер (а) открыт полностью и напрямую пропускает отходящие газы котла в дымосос. При этой схеме теплоутилизация равно нулю, фактически восстанавливается схема удаления дымовых газов как и было прежде до установки теплоутилизатора. В рабочем сотоянии шибер (а) полностью закрыт и 100% газов попадают в теплоутилизатор.

В теплоутилизаторе газы попадают в рекуператор (д) где происходит их остывание, но в любом случае не ниже точки росы (60 0 С). Например, они остыли до 90 0 С. Влага в них не выделилась. Измерение температуры газа производится датчиком температуры 2. Температуру газов после рекуператора можно регулировать шибером (б). Регулирование это необходимо для повышения КПД теплообменника. Так как при конденсации влаги находящаяся в газах масса ее уменьшается в зависимости от того на сколько были охлаждены газы, то можно изъять из них до 2/11 от общей массы газов в виде воды. Откуда взялась эта цифра. Рассмотрим химическую формулу реакции окисления метана (3).

Для окисления 1м 3 метана необходимо 2м 3 кислорода. Но так как кислорода в воздухе содержится только 20%, то воздуха на окисление 1м 3 метана потребуется 10м 3 . После сжигания этой смеси мы получаем: 1м 3 углекислого газа, 2 м 3 водяных паров и 8м 3 азота и др газов. Мы можем изъять из отходящих газов путём конденсации чуть меньше 2/11 всех отходящих газов в виде воды. Для этого отходящий газ необходимо охладить до температуры улицы. С выделением соответствующей доли воды. В воздухе забираемом с улицы на горение так же содержится незначительная влага.

Выделившаяся вода удаляется в нижней части теплообменника. Соответственно если по пути котёл-рекуператор (д)-теплоутилизатор (е) проходит весь состав газов 11/11 частей, то по другой стороне рекуператора (д) может пройти только 9/11 частей отходящего газа. Остальные - до 2/11 частей газа в виде влаги может выпасть в теплоутилизаторе. А для минимизации аэродинамического сопротивления теплоутилизатора шибер (б) можно немного приоткрыть. При этом произойдёт разделение отходящих газов. Часть пройдёт через рекуператор (д), а часть через шибер (б). При полном открытии шибера (б) газы пройдут не охлаждаясь и показания датчиков температуры 1 и 2 совпадут.

На пути газов установлена оросительная установка с насосом Н и группой форсунок. Газы орошаются водой выделавшийся при конденсации. Форсунки, которые разбрызгивают влагу в газе, резко повышают его точку росы, охлаждают и адиабатически сжимают. В рассматриваемом примере температура газа резко падает до 62/62, и так как распылённая в газе вода полностью испаряется в газе, то точка росы и температура газа совпадает. Достигнув теплообменника (е) скрытая тепловая энергия выделяется на нём. Кроме того, скачком возрастает плотность газового потока и скачком падает его скорость. Все эти изменения значительно изменяют КПД теплообмена в лучшую сторону. Количество разбрызгиваемой воды определяется контроллером и связано с температурой и расходом газа. Температуру газа перед теплообменником контролирует датчик температуры 6.

Далее газы попадают на теплоутилизатор (е). В теплоутилизаторе газы остывают, например, до температуры 35 0 С. Соответственно точка росы для этих газов составит так же 35 0 С. Следующим теплоутилизатором на пути отходящих газов является теплоутилизатор (ж). Он служит для подогрева воздуха на горение. Температура подачи воздуха в такой теплоутилизатор может достигать -35 0 С. Эта температура зависит от минимальной наружной температуры воздуха в данном регионе. Так как часть водяных паров из уходящего газа изъята, то массовый поток отходящих газов почти совпадает по массовому потоку воздуха на горение. пусть в теплоутилизатор, например, залит тосол. Между теплоутилизаторами установлен шибер (в). Данный шибер работает так же в дискретном режиме. При потеплении на улице пропадает смысл отбора тепла в теплоутилизаторе (ж). Он прекращает свою работу и шибер (в) открывается полностью пропуская отходящие газы, минуя тепоутилизатор (ж).

Температура остывших газов определяется датчиком температуры (3). Далее эти газы направляются в рекуператор (д). Пройдя его, они нагреваются до некоторой температуры пропорциональной остыванию газов на другой стороне рекуператора. Шибер (г) нужен для регулирования работы теплообмена в рекуператоре, а степень его открытия зависит уличной температуры (от датчик 5). Соответственно, если очень холодно на улице, то шибер (г) полностью закрыт и газы нагреваются в рекуператоре для избежание точки росы в трубе. Если на улице жара, то шибер (г) открыт, как и шибер (б).

ВЫВОДЫ:

Повышение теплообмена в теплообменнике жидкость/газ происходит за счёт резкого скачка энтальпии газа. Но предложенное распыление воды должно происходить строго дозировано. Кроме того, дозирование воды в отходящие газы происходит с учётом наружной температуры.

Полученная методика расчёта позволяет избежать конденсации влаги в дымовой трубе и значительно повысить КПД котлоагрегата. Подобная методика может быть применена и для газовых турбин и для других конденсаторных устройств.

При предложенном способе не меняется конструкция котла, а только дорабатываются. Стоимость доработки составляет около 10% стоимости котла. Срок окупаемости при нынешних ценах на газ составляет около 4 месяцев.

Данный подход позволяет значительно снизить металоёмкость конструкции и соответственно её стоимость. Кроме того значительно падает аэродинамическое сопротивление теплообменника, уменьшается нагрузка на дымосос.

ЛИТЕРАТУРА:

1.Аронов И.З. Использование тепла уходящих газов газифицированных котельных. – М.: «Энергия», 1967. – 192 с.

2.Тадеуш Хоблер. Теплопередача и теплообменники. – Ленинград.: Государственное научное издание химической литературы, 1961. – 626 с.

В настоящее время температуру уходящих дымовых газов за котлом принимают не ниже 120-130°С по двум причинам: для исключения конденсации водяных паров на боровах, газоходах и дымовых трубах и для увеличения естественной тяги, снижающей напор дымососа. При этом теплоту уходящих газов и скрытую теплоту парообразования водяных паров можно полезно использовать. Использование теплоты уходящих дымовых газов и скрытой теплоты парообразования водяных паров называется методом глубокой утилизации теплоты дымовых газов. В настоящее время существуют различные технологии реализации данного метода, апробированные в Российской Федерации и нашедшие массовое применение за рубежом. Метод глубокой утилизации теплоты дымовых газов позволяет увеличить КПД топливопотребляющей установки на 2-3%, что соответствует снижению расхода топлива на 4-5 кг у.т. на 1 Гкал выработанного тепла. При внедрении данного метода, существуют технические сложности и ограничения связанные в основном со сложностью расчета процесса тепломассобмена при глубокой утилизации тепла уходящих дымовых газов и необходимостью автоматизации процесса, однако эти сложности решаемы при современном уровне технологий.

Для повсеместного внедрения данного метода необходима разработка методических указаний по расчету и установке систем глубокой утилизации тепла дымовых газов и принятие правовых актов запрещающих ввод в эксплуатацию топливоиспользующих установок на природном газе без применения глубокой утилизации тепла дымовых газов.

1. Формулировка проблемы по рассматриваемому методу (технологии) повышения энергоэффективности; прогноз перерасхода энергоресурсов, или описание других возможных последствий в масштабах страны при сохранении существующего положения

В настоящее время температуру уходящих дымовых газов за котлом принимают не ниже 120-130°С по двум причинам: для исключения конденсации водяных паров на боровах, газоходах и дымовых трубах и для увеличения естественной тяги, снижающей напор дымососа. При этом температура уходящих дымовых газов непосредственно влияет на значение q2 - потери тепла с уходящими газами, одной из основных составляющих теплового баланса котла. Например снижение температуры уходящих дымовых газов на 40°С при работе котла на природном газе и коэффициенте избытка воздуха 1,2 повышает КПД котла брутто на 1,9%. При этом не учитывается скрытая теплота парообразования продуктов сгорания. На сегодняшний день подавляющее большинство водогрейных и паровых котельных агрегатов в нашей стране, сжигающих природный газ, не оснащены установками, использующими скрытую теплоту парообразования водяных паров. Это тепло теряется вместе с уходящими газами.

2. Наличие методов, способов, технологий и т.п. для решения обозначенной проблемы

В настоящее время применяются методы глубокой утилизации тепла уходящих газов (ВЭР) путем использования рекуперативных, смесительных, комбинированных аппаратов, работающих при различных приемах использования теплоты, содержащейся в уходящих газах. При этом данные технологии используются на большинстве вводимых в эксплуатацию котлов за рубежом, сжигающих природный газ и биомассу.

3. Краткое описание предлагаемого метода, его новизна и информированность o нём, наличие программ развития; результат при массовом внедрении в масштабах страны

Наиболее часто используемый метод глубокой утилизации тепла дымовых газов заключается в том, что продукты сгорания природного газа после котла (либо после водяного экономайзера) с температурой 130-150°С разделяются на два потока. Приблизительно 70-80% газов направляются по главному газоходу и поступают в конденсационный теплоутилизатор поверхностного типа, остальная часть газов направляется в байпасный газоход. В теплоутилизаторе продукты сгорания охлаждаются до 40-50°С, при этом происходит конденсация части водяных паров, что позволяет полезно использовать как физическую теплоту дымовых газов, так и скрытую теплоту конденсации части содержащихся в них водяных паров. Охлажденные продукты сгорания после каплеотделителя смешиваются с проходящими по байпасному газоходу неохлажденными продуктами сгорания и при температуре 65-70°С отводятся дымососом через дымовую трубу в атмосферу. В качестве нагреваемой среды в теплоутилизторе может использоваться исходная вода для нужд химводоподготовки или воздух, поступающий затем на горение. Для интенсификации теплообмена в теплоутилизаторе возможна подача выпара атмосферного деаэратора в основной газоход. Необходимо также отметить возможность использования сконденсировавшихся обессоленных водяных паров в качестве исходной воды. Результатом внедрения данного метода, является повышение КПД котла брутто на 2-3%, с учетом использования скрытой теплоты парообразования водяных паров.

4. Прогноз эффективности метода в перспективе c учётом:
- роста цен на энергоресурсы;
- роста благосостояния населения;
- введением новых экологических требований;
- других факторов.

Данный метод повышает эффективность сжигания природного газа и снижает выбросы оксидов азота в атмосферу за счет их растворения в конденсирующихся водяных парах.

5. Перечень групп абонентов и объектов, где возможно применение данной технологии c максимальной эффективностью; необходимость проведения дополнительных исследований для расширения перечня

Данный метод, возможно, использовать в паровых и водогрейных котельных использующих в качестве топлива природный и сжиженный газ, биотопливо. Для расширения перечня объектов, на которых возможно использование данного метода необходимо провести исследования процессов тепломассообмена продуктов сгорания мазута, легкого дизтоплива и различных марок углей.

6. Обозначить причины, по которым предлагаемые энергоэффективные технологии не применяются в массовом масштабе; наметить план действий, для снятия существующих барьеров

Массовое применение данного метода в Российской Федерации не производится как правило по трем причинам:

• Недостаточная информированность о методе;
• Наличие технических ограничений и сложностей при внедрении метода;
• Отсутствие финансирования.

7. Наличие технических и других ограничений применения метода на различных объектах; при отсутствии сведений по возможным ограничениям необходимо их определить проведением испытаний

К техническим ограничениям и сложностям при внедрении метода можно отнести:

• Сложность расчета процесса утилизации влажных газов, так как процесс теплообмена сопровождается процессами массобмена;
• Необходимость поддержания заданных значений температуры и влажности уходящих дымовых газов, во избежание конденсации паров в газоходах и дымовой трубе;
• Необходимость избегать обмерзания поверхностей теплообмена при нагревании холодных газов;
• При этом необходимо проведение испытаний газоходов и дымовых труб обработанных современными антикоррозионными покрытиями на предмет возможности снижения ограничений по температуре и влажности уходящих после теплоутилизационной установки дымовых газов.

8. Необходимость проведения НИОКР и дополнительных испытаний; темы и цели работ

Необходимость проведения НИОКР и дополнительных испытаний приведена в пунктах 5 и 7.

9. Существующие меры поощрения, принуждения, стимулирования для внедрения предлагаемого метода и необходимость их совершенствования

Существующие меры поощрения и принуждения внедрения данного метода отсутствуют. Стимулировать внедрение данного метода может заинтересованность в снижении потребления топлива и выбросов оксидов азота в атмосферу.

10. Необходимость разработки новых или изменения существующих законов и нормативно-правовых актов

Необходима разработка методических указаний по расчету и установке систем глубокой утилизации тепла дымовых газов. Возможно, необходимо принятие правовых актов запрещающих ввод в эксплуатацию топливоиспользующих установок на природном газе без применения глубокой утилизации тепла дымовых газов.

11. Наличие постановлений, правил, инструкций, нормативов, требований, запретительных мер и других документов, регламентирующих применение данного метода и обязательных для исполнения; необходимость внесения в них изменений или необходимость изменения самих принципов формирования этих документов; наличие ранее существовавших нормативных документов, регламентов и потребность в их восстановлении

Вопросы применения данного метода в существующей нормативно-правовой базе отсутствуют.

12. Наличие внедрённых пилотных проектов, анализ их реальной эффективности, выявленные недостатки и предложения по совершенствованию технологии с учётом накопленного опыта

Данные о масштабном внедрении в Российской Федерации данного метода отсутствуют, есть опыт внедрения на ТЭЦ РАО ЕЭС и как было указано выше, накоплен большой опыт по глубокой утилизации дымовых газов за рубежом. Всероссийским теплотехническим институтом выполнены конструкторские проработки установок глубокой утилизации тепла продуктов сгорания для водогрейных котлов ПТВМ(КВГМ). Недостатки данного метода и предложения по совершенствованию приведены в пункте 7.

13. Возможность влияния на другие процессы при массовом внедрении данной технологии (изменение экологической обстановки, возможное влияние на здоровье людей, повышение надёжности энергоснабжения, изменение суточных или сезонных графиков загрузки энергетического оборудования, изменение экономических показателей выработки и передачи энергии и т.п.)

Массовое внедрение данного метода позволит снизить расход топлива на 4-5 кг у.т. на одну Гкал выработанного тепла и повлияет на экологическую обстановку путем снижение выбросов оксидов азота.

14. Наличие и достаточность производственных мощностей в России и других странах для массового внедрения метода

Профильные производственные мощности в Российской Федерации в состоянии обеспечить внедрение данного метода, но не в моноблочном исполнении, при использовании зарубежных технологий возможно моноблочное исполнение.

15. Необходимость специальной подготовки квалифицированных кадров для эксплуатации внедряемой технологии и развития производства

Для внедрения данного метода необходима существующая профильная подготовка специалистов. Возможна организация специализированных семинаров по вопросам внедрения данного метода.

16. Предполагаемые способы внедрения:
1) коммерческое финансирование (при окупаемости затрат);
2) конкурс на осуществление инвестиционных проектов, разработанных в результате выполнения работ по энергетическому планированию развития региона, города, поселения;
3) бюджетное финансирование для эффективных энергосберегающих проектов с большими сроками окупаемости;
4) введение запретов и обязательных требований по применению, надзор за их соблюдением;
5) другие предложения .

Предполагаемыми методами внедрения являются:

• бюджетное финансирование;
• привлечение инвестиций (срок окупаемости 5-7 лет);
• введение требований к вводу в эксплуатацию новых топливопотребляющих установок.

Для того чтобы добавить описание энергосберегающей технологии в Каталог, заполните опросник и вышлите его на c пометкой «в Каталог» .

Предлагаю к рассмотрению деятельность по утилизации дымовых газов. Дымовые газы в избытке имеются в любом поселке и городе. Основная часть производителей дыма, это паровые и водогрейные котлы и двигатели внутреннего сгорания. Дымовые газы двигателей рассматривать в этой идее я не буду (хотя они тоже по составу подходят), а вот на дымовых газах котельных остановлюсь подробнее.

Проще всего использовать дым газовых котельных (промышленных или частных домов), это самый чистый вид дымового газа, в котором находится минимальное количество вредных примесей. Можно использовать и дым котельных сжигающих уголь или жидкое топливо, но в этом случае придется выполнять очистку дымовых газов от примесей (это не так сложно, но все-таки дополнительные затраты).

Основные компоненты дымового газа — азот, углекислый газ и водяной пар. Водяной пар никакой ценности не представляет и может быть легко удален из дымового газа соприкосновением газа с прохладной поверхностью. Оставшиеся компоненты цену уже имеют.

Газообразный азот применяется в пожаротушении, для перевозки и хранения легковоспламеняющихся и взрывчатых сред, как защитный газ для предохранения от окисления легкоокисляемых веществ и материалов, для предотвращения коррозии цистерн, продувки трубопроводов и емкостей, для создания инертных сред в силосных зернохранилищах. Азотная защита предотвращает рост бактерий, применяется для очистки сред от насекомых и микробов. В пищевой промышленности к атмосфере азота часто прибегают как к средству повышающему срок хранения скоропортящихся продуктов. Широкое применение находит газообразный азот для получения из него жидкого азота.

Для получения азота достаточно отделить от дымового газа водяной пар и углекислый газ. Что касается следующего компонента дыма — углекислого газа (СО2, углекислота, диоксид углерода) то ассортимент его применения еще больше и цена на него значительно выше.

Предлагаю информацию о нем получить более полную. Обычно углекислый газ хранится в 40-литровых баллонах окрашенных в черный цвет с желтой надписью «углекислота». Более правильное название СО2, «двуокись углерода», но к названию «углекислота» все уже привыкли, оно за СО2 закрепилось и поэтому надпись «углекислота» на баллонах пока сохраняется. Находится углекислота в баллонах в жидком виде. Углекислота не имеет запаха, нетоксична, негорюча и невзрывоопасна. Является веществом, естественным образом, образующимся в организме человека. В выдыхаемом человеком воздухе ее содержится обычно 4,5%. Основное применение углекислота находит при газировании и реализации в розлив напитков, применяется в качестве защитного газа при проведении сварочных работ с использованием сварочных полуавтоматов, используется для повышения урожайности (в 2 раза) с/х культур в теплицах за счет увеличенияконцентрации СО2 в воздухе и увеличения (в 4-6 раз при насыщении углекислотой воды) производства микроводорослей при их искусственном выращивании, для сохранения и улучшения качества кормов и продуктов, для производства сухого льда и использования его в установках криобластинга (очистка поверхностей от загрязнений) и для получения низких температур при хранении и транспортировке пищевых продуктов и т.д.

Углекислота является всюду востребованным товаром и потребность в ней постоянно увеличивается. В домашнем и малом бизнесе получать углекислоту можно извлечением ее из дымового газа на углекислотных установках малой производительности. Лицам имеющим отношение к технике несложно изготовить такую установку самостоятельно. При соблюдении норм технологического процесса, качество получаемой углекислоты соответствует всем требованиям ГОСТ 8050-85.
Углекислоту можно получать как из дымовых газов котельных (или отопительных котлов частных домовладений) так и способом специального сжигания топлива в самой установке.

Теперь экономическая сторона дела. Установка может работать на любом виде топлива. При сжигании топлива (специально для получения углекислоты), выделяется следующее количество СО2:
природный газ (метан) – 1,9 кг СО2 от сжигания 1 куб. м газа;
каменный уголь, разных месторождений – 2,1- 2,7 кг СО2 от сжигания 1 кг топлива;
пропан, бутан, дизтопливо, мазут — 3,0 кг СО2 от сжигания 1 кг топлива.

Полностью всю выделяемую углекислоту извлечь не удастся, а до 90% (можно достичь и 95% извлечения) вполне возможно. Стандартное наполнение 40-литрового баллона 24-25 кг, поэтому можно самостоятельно посчитать удельный расход топлива для получения одного баллона углекислоты.

Он не такой уж большой, например, в случае получения углекислоты от сжигания природного газа достаточно сжигать 15 м3 газа.

По самому высокому тарифу (г.Москва) это 60 руб. на 40-литр. баллон углекислоты. В случае извлечения СО2 из дымовых газов котельных себестоимость получения углекислоты снижается, так как снижаются затраты на топливо и прибыль с установки увеличивается. Установка может работать круглосуточно, в автоматическом режиме с минимальным привлечением человека к процессу получения углекислоты. Производительность установки зависит от количества содержащегося СО2 в дымовом газе, конструкции установки и может достигать 25 баллонов углекислоты в сутки и более.

Цена 1 баллона углекислоты в большинстве регионов России превышает 500 рублей (декабрь 2008 г.) Месячная выручка от реализации углекислоты в этом случае достигает: 500 руб./бал. х 25 бал./сут. х 30 сут. = 375 000 руб. Выделяемое при сжигании тепло можно использовать одновременно для отопления помещений, и нерационального использования топлива в этом случае не будет. При этом следует иметь ввиду, что экологическая обстановка по месту извлечения углекислоты из дымовых газов только улучшается, так как выбросы СО2 в атмосферу снижаются.

Неплохо себя рекомендует и способ извлечения углекислоты из дымовых газов получаемых от сжигания древесных отходов (отходы лесозаготовки и деревопереработки, столярных цехов и проч.). В этом случае та же самая углекислотная установка дополняется древесным газогенератором (заводского или самостоятельного изготовления) для получения древесногенераторного газа. Древесные отходы (чурки, щепа, стружки, опилки и т.п.) 1-2 раза в сутки засыпаются в бункер газогенератора, в остальном работа установки происходит в том же режиме, как и в вышеприведенном.
Выход углекислоты из 1 тонны древесных отходов составляет 66 баллонов. Выручка с одной тонны отходов составляет (при цене баллона углекислоты 500 руб.): 500 руб./бал. х 66 бал. = 33 000 руб.

При средней величине древесных отходов с одного деревоперерабатывающего цеха в 0,5 тонны отходов в сутки, выручка от реализации углекислоты может достигать 500 тыс. руб. в месяц, а в случае привоза отходов и с других деревоперерабатывающих и столярных цехов выручка становится еще больше.

Возможен вариант получения углекислоты и от сжигания автомобильных покрышек, что также только на пользу нашей экологии.

В случае производства углекислоты в количестве большем, чем может ее потребить местный рынок сбыта, произведенную углекислоту можно самостоятельно использовать для других видов деятельности, а также перерабатывать ее в другие химвещества и реактивы (например, по несложной технологии в экологически чистые углеродсодержащие удобрения, разрыхлители теста и проч.) вплоть до получения из углекислоты автомобильного бензина.

Методы утилизации тепла. Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят с собой значитель­ное количество тепла. В мартеновских печах, например, из рабо­чего пространства с дымовыми газами уносится около 80 % всего тепла поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах около 60 %. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше их температура и чем ниже коэффициент использования тепла в печи. В связи с этим целесообразно обеспечивать утилизацию тепла отходящих ды­мовых газов, которая может быть выполнена принципиально двумя методами: с возвратом части тепла, отобранного у дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь. Для осуществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма, передать идущим в печь газу и воздуху (или только воздуху)-Для достижения этой цели широко используют теплообменники рекуперативного и регенеративного типов, применение которых позволяет повысить к. п. д. печного агрегата, увеличу температуру горения и сэкономить топливо. При втором методе утилизации тепло отходящих дымовых газов используется в теплосиловых котельных и турбинных установках, чем достигается существенная экономия топлива.

В отдельных случаях оба описанных метода утилизации тепла отходящих дымовых газов используются одновременна Это делается тогда, когда температура дымовых газов поеле теплообменников регенеративного или рекуперативного типа остается достаточно высокой и целесообразна дальнейшая утилизация тепла в теплосиловых установках. Так, например, в мартенсвских печах температура дымовых газов после регенераторов вставляет 750-800 °С, поэтому их повторно используют в котлах-утилизаторах.

Рассмотрим подробнее вопрос утилизации тепла отходящих дымовых газов с возвратом части их тепла в печь.

Следует прежде всего отметить, что единица тепла, отобранная у дыма и вносимая в печь воздухом или газом (единица физического тепла), оказывается значительно ценнее единиц тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива (единицы химического тепла), так как тепло подогретого воздуха (газа) не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами. Ценность еди- ницы физического тепла тем больше, чем ниже коэффициент ис- пользования топлива и чем выше температура отходящих дымовых газов.

Для нормальной работы печи следует каждый час в рабочее пространство подавать необходимое количество тепла. В Э то ко­личество тепла входит не только тепло топлива Q х, но и тепло подогретого воздуха или газа Q Ф, т. е. Q Σ = Q х + Q ф

Ясно, что при Q Σ = сопst увеличение Q ф позволит Уменьшить Q х. Иными словами, утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива, которая зависит от степени утилизации тепла дымовых газов

R = Н в / Н д

где Н в и Н д - соответственно энтальпия подогретого воздуха и отходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт или

кДж/период.

Степень утилизации тепла может быть также названа КРД рекуператора (регенератора), %

кпд р = (Н в / Н д) 100%.

Зная величину степени утилизации тепла, можно Определить экономию топлива по следующему выражению:

где Н " д и Н д - соответственно энтальпия дымовых газов при темпе­ратуре горения и покидающих печь.

Снижение расхода топлива в результате использования тепла отходящих дымовых газов обычно дает значительный экономи­ческий эффект и является одним из путей снижения затрат на на­грев металла в промышленных печах.

Кроме экономии топлива, применение подогрева воздуха (газа) сопровождается увеличением калориметрической темпера­туры горения Т к, что может являться основной целью рекупера­ции при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.

Повышение Q Ф при приводит к увеличению тем­пературы горения. Если необходимо обеспечить определенную величину Т к, то повышение температуры подогрева воздуха (газа), приводит к уменьшению величины , т. е. к снижению доли в то­пливной смеси газа с высокой теплотой сгорания.

Поскольку утилизация тепла позволяет значительно экономить топливо, целесообразно стремиться кмаксимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необхо­димо сразу заметить, что утилизация не может быть полной, т. е. всегда R < 1. Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до определенных пределов, после которых оно уже приводит кочень незначительному выигрышу в экономии тепла.

Характеристика теплообменных устройств. Как уже указывалось, утилизацию тепла отходящих дымовых газов с возвратом их в печь можно осуществить в теплообменных устройствах регенеративного и рекуперативного типов. Регенера­тивные теплообменники работают при нестационарном тепловом состоянии, рекуперативные - при стационарном.

Теплообменники регенеративного типа имеют следующие основ­ные недостатки:

1) не могут обеспечить постоянную температуру подогрева воз­духа или газа, которая падает по мере остывания кирпичей на­садки, что ограничивает возможность применения автоматического регулирования печи;

2) прекращение питания печи теплом при перекидке клапанов;

3) при подогреве топлива имеет место вынос газа через ды­мовую трубу, величина которого достигает 5-6 % полного рас­хода;

4) весьма большие объем и масса регенераторов;

5) неудобно расположены - располагают керамические реге­нераторы всегда под печами. Исключение составляют только кау­перы, помещаемые около доменных печей.

Однако, несмотря на очень серьезные недостатки, регенератив­ные теплообменники иногда еще применяют на высокотемператур­ных печах (мартеновских и доменных печах, в нагревательных колодцах). Это объясняется тем, что регенераторы могут работать при весьма высокой температуре дымовых газов (1500-1600 °С). При такой температуре рекуператоры работать устойчиво пока не могут.

Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих дымо­вых газов более прогрессивен и совершенен. Рекуператоры обе­спечивают постоянную температуру подогрева воздуха или газа и не требуют никаких перекидных устройств - это обеспечивает более ровный ход печи и большую возможность для автоматизации и контроля ее тепловой работы. В рекуператорах отсутствует вы­нос газа в дымовую трубу, они меньшего объема и массы. Однако рекуператорам свойственны и некоторые недостатки, основными из которых являются низкая огнестойкость (металлических реку­ператоров) и низкая газоплотность (керамических рекуператоров).

Общая характеристика теплообмена в рекуператорах. Рассмотрим общую характеристику теплообмена в рекуператоре. Рекуператор представляет собой теплообменный аппа­рат, работающий в условиях стационарного теплового состояния, когда тепло постоянно передается от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху (газу) через разделительную стенку.

Полное количество тепла, переданного в рекуператоре, опре­деляют по уравнению

Q = К Δt ср F ,

где К - суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воз­духу (газу), характеризующий общий уровень тепло­передачи в рекуператоре, Вт/(м 2 -К);

Δt ср - средняя (по всей поверхности нагрева) разность темпе­ратур между дымовыми газами и воздухом (газом), К;

F - поверхность нагрева, через которую происходит пе­редача тепла от дымовых газов к воздуху (газу), м 2 .

Теплопередача в рекуператорахвключает в себя три основные ступени передачи тепла: а) от дымовых газов к стенкам рекупера­тивных элементов; б) через разделительную стенку; в) от стенки к нагреваемому воздуху или газу.

На дымовой стороне рекуператора тепло от дымовых газов к стенке передается не только конвекцией, но и излучением. Сле­довательно, локальный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен

где - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке

конвекцией, Вт/(м 2 ·°С);

Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке

путем излучения, Вт/(м 2 ·°С).

Передача тепла через разделительную стенку зависит от теп­лового сопротивления стенки и состояния ее поверх­ности.

На воздушной стороне рекуператора при нагреве воздуха тепло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагреве газа - конвекцией и излучением. Таким образом, при нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффи­циентом теплоотдачи конвекцией ; если нагревается газ, то коэффициент теплоотдачи

Все отмеченные локальные коэффициенты теплоотдачи объеди­нены в суммарном коэффициенте теплопередачи

, Вт/(м 2 ·°С).

В трубчатых рекуператорах суммарный коэффициент тепло­передачи следует определять для цилиндрической стенки (линей­ный коэффициент теплопередачи)

, Вт/(м·°С)

Коэффициент К называется коэффициентом теплопередачи трубы. Если же необходимо отнести количество тепла к площади внутренней или наружной поверхности трубы, то суммарные коэффициенты теплопередачи можно определить следующим об­разом:

,

где a 1 - коэффициент теплоотдачи на внутренней стороне

трубы, Вт/(м 2 ·°С);

a 2 - то же, на наружной стороне трубы, Вт/(м 2 ·°С);

r 1 и r 2 - соответственно радиусы внутренней и наружной

поверхностей трубы, м. В металлических рекуператорах можно пренебречь величиной теплового сопротивления стенки , и тогда суммарный коэффи­циент теплопередачи можно записать в следующем виде:

Вт/(м 2 ·°С)

Все локальные коэффициенты теплоотдачи, необходимые для определения величины К, можно получить на основании законов теплоотдачи конвекцией и излучением.

Поскольку между воздушной и дымовой сторонами рекупера­тора всегда есть перепад давлений, наличие неплотностей в реку­перативной насадке приводит к утечке воздуха, достигающей иногда 40-50%. Прососы резко снижают эффективность рекуперативных установок; чем больше прососанного воздуха, тем меньше доля тепла, полезно использованного в керамическом рекуператоре (см. ниже):

Утечка, % 0 25 60

Конечная температура дымовых газов,

°С 660 615 570

Температура подогрева воздуха, °С 895 820 770

КПД рекуператора (без учета по-

терь), % 100 84 73,5

Утечка воздуха влияет на величину локальных коэффициентов теплоотдачи, причем воздух, попавший в дымовые газы, не только

Рис. 4. Схемы движения газовых сред в теплообменниках рекуперативного типа

снижает их температуру, но и уменьшает процентное содержание С0 2 и Н 2 0, вследствие чего ухудшается излучательная способ­ность газов.

Как при абсолютно газоплотном рекуператоре, так и при утечке локальные коэффициенты теплоотдачи меняются по поверхности нагрева, поэтому при расчете рекуператоров определяют отдельно величины локальных коэффициентов теплоотдачи для верха и низа и затем уже по усредненному значению находят суммарный коэффициент теплопередачи.

ЛИТЕРАТУРА

1. Б.А.Арутюнов, В.И. Миткалинный, С.Б. Старк. Металлургическая теплотехника, т.1, М, Металлургия, 1974, с.672
2. В.А.Кривандин и др. Металлургическая теплотехника, М, Металлургия, 1986, с.591
3. В.А.Кривандин, Б.Л. Марков. Металлургические печи, М, Металлургия, 1977, с.463
4. В.А.Кривандин, А.В.Егоров. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии, М, Металлургия, 1989, с.463

Тепло дымовых газов, уходящих из печей, кроме подогрева воздуха и газообразного топлива, может быть использовано в котлах-утилизаторах для выработки водяного пара. В то время как подогретые газ и воздух используются в самом печном агрегате, пар направляется внешним потребителям (для производственных и энергетических нужд).

Во всех случаях следует стремиться к наибольшей регенерации тепла, т. е. к возвращению его в рабочее пространство печи в виде тепла нагретых компонентов горения (газообразного топлива и воздуха). В самом деле, увеличение регенерации тепла ведет к сокращению расхода топлива и к интенсификации и улучшению технологического процесса. Однако наличие рекуператоров или регенераторов не всегда исключает возможность установки котлов-утилизаторов. В первую же очередь котлы-утилизаторы нашли применение в крупных печах с относительно высокой температурой отходящих дымовых газов: в мартеновских сталеплавильных печах, в медеплавильных отражательных печах, во вращающихся печах для обжига цементного клинкера, при сухом способе производства цемента и т. д.

Рис. 5.

1 - пароперегреватель; 2 - трубная поверхность; 3 - дымосос.

Тепло дымовых газов, отходящих от регенераторов мартеновских печей с температурой 500 -- 650 °С, используется в газотрубных котлах-утилизаторах с естественной циркуляцией рабочего тела. Поверхность нагрева газотрубных котлов состоит из дымогарных труб, внутри которых проходят дымовые газы со скоростью примерно 20 м/сек. Тепло от газов к поверхности нагрева передается путем конвекции, а потому увеличение скорости повышает теплопередачу. Газотрубные котлы просты в эксплуатации, при монтаже не требуют обмуровки и каркасов и обладают высокой газоплотностью.

На рис. 5 показан газотрубный котел Таганрогского завода средней производительности D ср = 5,2 т/ч с расчетом на пропуск дымовых газов до 40000 м 3 /ч. Давление пара, вырабатываемого котлом, равно 0,8 Мн/м 2 ; температура 250 °С. Температура газов до котла 600 °С, за котлом 200 - 250 °С.

В котлах с принудительной циркуляцией поверхность нагрева составляется из змеевиков, расположение которых не ограничивается условиями естественной циркуляции, и поэтому такие котлы компактны. Змеевиковые поверхности изготовляются из труб малого диаметра, например d = 32Ч3 мм, что облегчает вес котла. При многократной циркуляции, когда кратность циркуляции составляет 5 - 18, скорость воды в трубках значительна, не менее 1 м/сек, вследствие чего в змеевиках уменьшается выпадение из воды растворенных солей, а кристаллическая накипь смывается. Тем не менее котлы должны питаться водой, химически очищенной при помощи катионитовых фильтров и других способов водоподготовки, соответствующей нормам питательной воды для обычных паровых котлов.

Рис. 6.

1 - экономайзерная поверхность; 2 - испарительная поверхность; 3 - пароперегреватель; 4 - барабан-коллектор; 5 - циркуляционный насос; 6 - шламоуловитель; 7 -- дымосос.

На рис. 6 дана схема размещения змеевиковых поверхностей нагрева в вертикальных дымоходах. Движение пароводяной смеси осуществляется циркуляционным насосом. Конструкции котлов подобного типа разработаны Центроэнергочерметом и Гипромезом и изготовляются на расходы дымовых газов до 50 - 125 тыс. м 3 /ч со средней паропроизводительностью от 5 до 18 т/ч.

Стоимость пара составляет 0,4 - 0,5 руб/т вместо 1,2 - 2 руб/т у пара, отобранного из паровых турбин ТЭЦ и 2 - 3 руб/т у пара от промышленных котельных. Стоимость пара составляется из затрат на энергию для привода дымососов, расходов на приготовление воды, амортизацию, ремонт и обслуживание. Скорость газов в котле составляет от 5 до 10 м/сек, что обеспечивает хорошую теплопередачу. Аэродинамическое сопротивление газового тракта составляет 0,5 - 1,5 кн/м 2 , поэтому агрегат должен иметь искусственную тягу от дымососа. Усиление тяги, которым сопровождается установка котлов-утилизаторов, как правило, улучшает работу мартеновских печей. Подобные котлы получили распространение на заводах, но для их хорошей работы требуется защита поверхностей нагрева от заноса пылью и частицами шлака и систематическая очистка поверхностей нагрева от уноса посредством обдувки перегретым паром, промывки водой (при остановках котла), вибрационным путем и др.

Рис. 7.

Для использования тепла дымовых газов, отходящих от медеплавильных отражательных печей, устанавливаются водотрубные котлы с естественной циркуляцией (рис. 7). Дымовые газы в этом случае имеют очень высокую температуру (1100 - 1250 °С) и загрязнены пылью в количестве до 100 - 200 г/м 3 , причем часть пыли имеет высокие абразивные (истирающие) свойства, другая часть находится в размягченном состоянии и может шлаковать поверхность нагрева котла. Именно большая запыленность газов и заставляет пока отказываться от регенерации тепла в этих печах и ограничиваться использованием дымовых газов в котлах-утилизаторах.

Передача тепла от газов к экранным испарительным поверхностям протекает очень интенсивно, благодаря чему обеспечивается интенсивное парообразование частицы шлака, охлаждаясь, гранулируются и выпадают в шлаковую воронку, чем исключается шлакование конвективной поверхности нагрева котла. Установка подобных котлов для использования газов с относительно невысокой температурой (500 -- 700 °С) нецелесообразна из-за слабой теплопередачи лучеиспусканием.

В случае оборудования высокотемпературных печей металлическими рекуператорами котлы-утилизаторы целесообразно устанавливать непосредственно за рабочими камерами печей. В этом случае в котле температура дымовых газов понижается до 1000 - 1100 °С. С такой температурой они уже могут быть направлены в жароупорную секцию рекуператора. Если газы несут много пыли, то котел-утилизатор устраивается в виде экранного котла-шлакогранулятора, что обеспечивает сепарацию уноса из газов и облегчает работу рекуператора.