Владельцы патента RU 2606296:

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение на любом предприятии, эксплуатирующем котлы на углеводородном топливе.

Известны серийно выпускаемые Костромским калориферным заводом калориферы типа КСк (Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 139, стр. 33), состоящие из газоводяного поверхностного теплоутилизатора, поверхность теплообмена которого выполнена из оребренных биметаллических трубок, сетчатого фильтра, распределительного клапана, каплеуловителя и гидропневматического обдувочного устройства.

Калориферы типа КСк работают следующим образом. Дымовые газы попадают на распределительный клапан, который делит их на два потока, основной поток газа направляется через сетчатый фильтр в теплоутилизатор, второй - по обводной линии газохода. В теплоутилизаторе водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, конденсируются на оребренных трубках, нагревая текущую в них воду. Образующийся конденсат собирается в поддоне и подается насосами в схему подпитки теплосети. Нагретая в теплоутилизаторе вода подается потребителю. На выходе из теплоутилизатора осушенные дымовые газы смешиваются с исходными дымовыми газами из обводной линии газохода и направляются через дымосос в дымовую трубу.

Для работы теплоутилизатора в режиме конденсации всей его конвективной части требуется, чтобы температура нагрева воды в конвективном пакете не превышала 50°С. Для использования такой воды в системах отопления ее нужно дополнительно догревать.

Для предотвращения конденсации остаточных водяных паров дымовых газов в газоходах и дымовой трубе, часть исходных газов через обводной канал подмешиваются к осушенным дымовым газам, повышая их температуру. При таком подмесе увеличивается и содержание водяных паров в уходящих дымовых газах, снижая эффективность утилизации тепла.

Известен теплоутилизатор (RU 2323384 С1, МПК F22B 1/18 (2006.01), опубл. 27.04.2008), содержащий контактный теплообменник, каплеуловитель, газо-газовый теплообменник, включенный по схеме прямотока, газоходы, трубопроводы, насос, датчики температуры, клапаны-регуляторы. По ходу оборотной воды контактного теплообменника последовательно расположены водо-водяной теплообменник и водовоздушный теплообменник с обводным каналом по ходу воздуха.

Известен способ работы этого теплоутилизатора. Уходящие газы по газоходу поступают на вход газо-газового теплообменника, последовательно проходя три его секции, затем на вход контактного теплообменника, где, проходя через насадку, омываемую оборотной водой, охлаждаются ниже точки росы, отдавая явное и скрытое тепло оборотной воде. Далее охлажденные и влажные газы освобождаются от большей части унесенной потоком жидкой воды в каплеуловителе, нагреваются и подсушиваются, по меньшей мере, в одной секции газо-газового теплообменника, дымососом направляются в трубу и выбрасываются в атмосферу. Одновременно нагретая оборотная вода из поддона контактного теплообменника насосом подается в водо-водяной теплообменник, где нагревает холодную воду из трубопровода. Нагретая в теплообменнике вода поступает на нужды технологического и бытового горячего водоснабжения или в низкотемпературный отопительный контур.

Далее оборотная вода поступает в водовоздушный теплообменник, нагревает, по меньшей мере, часть дутьевого воздуха, поступающего из-за пределов помещения по воздуховоду, охлаждаясь до минимально возможной температуры, и поступает в контактный теплообменник через водораспределитель, где отбирает тепло от газов, попутно промывая их от взвешенных частиц, и поглощает часть оксидов азота и серы. Нагретый воздух из теплообменника дутьевым вентилятором подается в штатный воздухоподогреватель или непосредственно в топку. Оборотная вода по необходимости фильтруется и обрабатывается известными способами.

Для осуществления такого способа необходима система регулирования вследствие использования утилизируемого тепла для целей горячего водоснабжения из-за непостоянства суточного графика потребления горячей воды.

Нагретая в теплообменнике вода, поступающая на нужды горячего водоснабжения или в низкотемпературный отопительный контур, требует ее доведения до необходимой температуры, так как не может быть нагрета в теплообменнике выше температуры воды оборотного контура, которая определяется температурой насыщения водяных паров в дымовых газах. Низкий нагрев воздуха в водовоздушном теплообменнике не позволяет использовать этот воздух для отопления помещений.

Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются устройство и способ утилизации тепла дымовых газов (RU 2436011 С1, МПК F22B 1/18 (2006.01), опубл. 10.12.2011).

Устройство утилизации тепла дымовых газов содержит газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник, выполненный по схеме противотока, поверхностный газовоздушный пластинчатый конденсатор, инерционный каплеуловитель, газоходы, дымосос, воздуховоды, вентиляторы и трубопровод.

Исходные дымовые газы охлаждаются в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы. Греющая и нагреваемая среда движутся противотоком. При этом происходит глубокое охлаждение влажных дымовых газов до температуры, близкой к точке росы водяных паров. Далее содержащиеся в дымовых газах водяные пары конденсируются в газовоздушном поверхностном пластинчатом теплообменнике - конденсаторе, нагревая воздух. Нагретый воздух используется для отопления помещений и покрытия потребности процесса горения. Конденсат после дополнительной обработки используют для восполнения потерь в теплосети или паротурбинном цикле. Для исключения конденсации остаточных водяных паров, уносимых потоком из конденсатора, перед дополнительным дымососом подмешивается часть подогретых осушенных дымовых газов. Осушенные дымовые газы подаются дымососом в описанный выше подогреватель, где нагреваются для предотвращения возможной конденсации водяных паров в газоходах и дымовой трубе и направляются в дымовую трубу.

Недостатками этого способа является то, что утилизируется преимущественно скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Если рекуперативный теплообменник охлаждает исходные дымовые газы до температуры, близкой к точке росы водяных паров, то нагрев уходящих осушенных дымовых газов будет избыточным, что снижает эффективность утилизации. Недостатком является и использование для нагрева только одной среды - воздуха.

Задачей изобретения является повышение эффективности утилизации тепла дымовых газов за счет использования скрытого тепла конденсации водяных паров и повышенной температуры самих дымовых газов.

В предложенном способе глубокой утилизации тепла дымовых газов, также как в прототипе, дымовые газы предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы, конденсируют водяные пары, содержащиеся в дымовых газах в конденсаторе, нагревая воздух.

Согласно изобретению между теплообменником и конденсатором дымовые газы доохлаждают до температуры, близкой к точке росы водяных паров, нагревая воду.

Газовые котлы имеют высокую температуру уходящих дымовых газов (130°С для больших энергетических котлов, 150°С-170°С для малых котлов). Для охлаждения дымовых газов перед конденсацией используют два устройства: рекуперативный газо-газовый теплообменник и утилизационный водоподогреватель.

Исходные дымовые газы предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы на 30-40°С выше, чем температура насыщения содержащихся в них водяных паров, для создания запаса по температуре при возможном охлаждении дымовых газов в трубе. Это позволяет уменьшить площадь теплообмена рекуперативного теплообменника по сравнению с прототипом и полезно использовать оставшееся тепло дымовых газов.

Существенным отличием является использование контактного газоводяного водоподогревателя для окончательного охлаждения влажных дымовых газов до температуры, близкой к точке росы водяных паров. На входе в водоподогреватель дымовые газы имеют достаточно высокую температуру (130°С-90°С), что позволяет нагревать воду до 50°С-65°С с частичным ее испарением. На выходе из контактного газоводяного водоподогревателя дымовые газы имеют температуру близкую к точке росы содержащихся в них водяных паров, что повышает эффективность использования поверхности теплообмена в конденсаторе, исключает образование сухих зон конденсатора и повышает коэффициент теплопередачи.

Способ утилизации тепла дымовых газов изображен на фиг.1.

В таблице 1 приведены результаты проверочного расчета варианта установки для котла на природном газе мощностью 11 МВт.

Способ глубокой утилизации тепла дымовых газов осуществляют следующим образом. Исходные дымовые газы 1 предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике 2, нагревая осушенные дымовые газы. Далее дымовые газы 3 окончательно охлаждают в контактном газоводяном водоподогревателе 4 до температуры, близкой к точке росы водяных паров, разбрызгивая воду, в качестве которой целесообразно использовать полученный в конденсаторе конденсат. При этом часть воды испаряется, повышая влагосодержание дымовых газов, а остальная нагревается до этой же температуры. Содержащиеся в дымовых газах 5 водяные пары конденсируют в газовоздушном поверхностном пластинчатом теплообменнике - конденсаторе 6 с каплеуловителем 7, нагревая воздух. Конденсат 8 подается для подогрева в контактный газоводяной водоподогреватель 4. Теплота конденсации используется для подогрева холодного воздуха, который подают вентиляторами 9 из окружающей среды по воздуховоду 10. Нагретый воздух 11 направляют в производственное помещение котельного цеха для его вентиляции и отопления. Из этого помещения воздух подают в котел для обеспечения процесса горения. Осушенные дымовые газы 12 дымососом 13 подают в газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник 2 для подогрева и направляют в дымовую трубу 14.

Для исключения конденсации остаточных водяных паров, уносимых потоком из конденсатора, перед дымососом 13 подмешивают часть подогретых осушенных дымовых газов 15 (до 10%), величина которой первоначально настраивается заслонкой 16.

Регулирование температуры нагреваемого воздуха 11 осуществляют изменением расхода осушаемых дымовых газов 1 или изменением расхода воздуха, при помощи регулирования числа оборотов дымососа 13 или вентиляторов 9 в зависимости от температуры наружного воздуха.

Теплообменник 2 и конденсатор 6 представляют собой поверхностные пластинчатые теплообменники, выполненные из унифицированных модульных пакетов, которые скомпонованы таким образом, чтобы движение теплоносителей осуществлялось противотоком. В зависимости от объема осушаемых дымовых газов, подогреватель и конденсатор формируются из рассчитываемого количества пакетов. Водоподогреватель 4 представляет собой контактный газоводяной теплообменник, обеспечивающий дополнительное охлаждение дымовых газов и нагрев воды. Нагретая вода 17 после дополнительной обработки используется для восполнения потерь в теплосети или паротурбинном цикле. Блок 9 формируется из нескольких вентиляторов для изменения расхода подогреваемого воздуха.

В таблице 1 приведены результаты поверочного расчета варианта исполнения установки для котла на природном газе мощностью 11 МВт. Расчеты проводились для температуры наружного воздуха -20°С. Расчет показывает, что использование контактного газоводяного водоподогревателя 4 приводит к исчезновению сухой зоны в конденсаторе 6, интенсифицирует теплообмен и увеличивает мощность установки. Процент утилизированного тепла увеличивается с 14,52 до 15,4%, при этом температура точки росы водяных паров в осушенных дымовых газах снижается до 17°С. Примерно 2% тепловой мощности не утилизируется, а используется для рекуперации - нагрева осушенных дымовых газов до температуры 70°С.

Способ глубокой утилизации тепла дымовых газов, по которому дымовые газы предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы, доохлаждают в водоподогревателе до температуры, близкой к точке росы водяных паров, нагревая воду, конденсируют водяные пары, содержащиеся в дымовых газах в конденсаторе, нагревая воздух, отличающийся тем, что между теплообменником и конденсатором установлен поверхностный трубчатый газоводяной водоподогреватель для охлаждения влажных дымовых газов и нагрева воды, при этом основная утилизация тепла происходит в конденсаторе при нагреве воздуха, а дополнительная - в водоподогревателе.

Похожие патенты:

Изобретение относится к нефтехимическому машиностроению и может быть использовано для крекинга мазута, а также для нагрева технологических сред (например, нефти, нефтяной эмульсии, газа, их смесей) и для других технологических процессов, требующих интенсивного подвода тепла.

Изобретение относится к области теплоэнергетики и может быть использовано в системах подогрева и кондиционирования воздуха. Изобретение заключается в том, что соединение теплообменных оребренных трубок в ряду и рядов между собой выполнено последовательно по одной трубке в ходу в одну ветвь, причем смежные теплообменные трубки в ряду соединены между собой последовательно межтрубными переходами в форме крутозагнутых отводов и снабжены легкосъемными ремонтно-защитными пробками, количество последовательно подключенных трубок в ряду и общее количество ходов во всех рядах выбрано в зависимости от фактических параметров существующей тепловой сети и определено гидравлической характеристикой водяного калорифера.

Электрический радиатор, использующий вычислительные процессоры в качестве источника тепла. Этот радиатор для бытовых и производственных помещений, использующий вычислительные процессоры в качестве источников тепла, содержит нагреваемый корпус, который осуществляет теплопередачу между источником тепла и окружающим воздухом, количество Q процессоров, распределенных на количестве Р печатных плат, образующих источник тепла радиатора и мощное средство, выполняющее вычисления посредством внешних информационных систем, интерфейс человек-машина, позволяющий контролировать вычислительную и тепловую мощность, выдаваемую радиатором, стабилизированный источник питания для различных электронных компонентов, сетевой интерфейс, позволяющий соединять радиатор с внешними сетями.

Изобретение предназначено для осуществления реакций парового риформинга и может быть использовано в химической промышленности. Теплообменный реактор содержит множество байонетных труб (4), подвешенных к верхнему своду (2), простирающихся до уровня нижнего дна (3) и заключенных в кожух (1), содержащий впускной (Е) и выпускной (S) патрубки для дымовых газов.

Изобретение предлагает систему и способ парогазовой конверсии. Способ парогазовой когенерации на основе газификации и метанирования биомассы включает: 1) газификацию биомассы путем смешивания кислорода и водяного пара, полученных из воздухоразделительной установки, с биомассой, транспортировку образующейся в результате смеси через сопло в газификатор, газификацию биомассы при температуре 1500-1800°С и давлении 1-3 МПа с получением неочищенного газифицированного газа и транспортировку перегретого пара, имеющего давление 5-6 МПа, полученного в результате целесообразной утилизации тепла, к паровой турбине; 2) конверсию и очистку: в соответствии с требованиями реакции метанирования корректировку отношения водород/углерод неочищенного газифицированного газа, образованного на стадии 1), до 3:1 с использованием реакции конверсии и извлечение при низкой температуре неочищенного газифицированного газа с использованием метанола для десульфуризации и декарбонизации, в результате чего получают очищенный сингаз; 3) проведение метанирования: введение очищенного сингаза стадии 2) в секцию метанирования, состоящую из секции первичного метанирования и секции вторичного метанирования, причем секция первичного метанирования содержит первый реактор первичного метанирования и второй реактор первичного метанирования, соединенные последовательно; предоставление возможности части технологического газа из второго реактора первичного метанирования вернуться к входу первого реактора первичного метанирования для смешивания со свежим подаваемым газом и далее возможности войти в первый реактор первичного метанирования, так что концентрация реагентов на входе первого реактора первичного метанирования уменьшается и температура слоя катализатора регулируется технологическим газом; введение сингаза после первичного метанирования в секцию вторичного метанирования, содержащую первый реактор вторичного метанирования и второй реактор вторичного метанирования, соединенные последовательно, где небольшое количество непрореагировавшего СО и большое количество CO2 превращается в CH4, и транспортировку перегретого пара промежуточного давления, образованного в секции метанирования, к паровой турбине; и 4) концентрирование метана: концентрирование метана синтетического природного газа, содержащего следовые количества азота и водяного пара, полученного на стадии 3), с помощью адсорбции при переменном давлении, так что молярная концентрация метана достигает 96% и теплотворная способность синтетического природного газа достигает 8256 ккал/Nм3.

Изобретение относится к теплоэнергетике. Способ глубокой утилизации тепла дымовых газов включает предварительное охлаждение дымовых газов в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая противотоком осушенные дымовые газы, для создания температурного запаса, предотвращающего конденсацию остаточных водяных паров в дымовой трубе. Дальнейшее охлаждение дымовых газов до температуры, близкой к точке росы водяных паров, осуществляется в контактном газоводяном водоподогревателе, который нагревает воду. Охлажденные влажные дымовые газы подают в газовоздушный поверхностный пластинчатый теплообменник - конденсатор, где конденсируются содержащиеся в дымовых газах водяные пары, нагревая воздух. Осушенные дымовые газы подают дополнительным дымососом в газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник, где нагревают для предотвращения возможной конденсации водяных паров в газоходах и дымовой трубе и направляются в дымовую трубу. Технический результат: повышение эффективности утилизации тепла дымовых газов за счет использования скрытого тепла конденсации водяных паров и повышенной температуры самих дымовых газов. 1 ил., 1 табл.

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.

Evaluation of Efficiency of Deep recuperation of Power Plant Boilers’ Combustion Productions

E.G. Shadek, Candidate of Engineering, independent expert

Keywords: combustion products, heat recuperation, boiler plant equipment, energy efficiency

One of the methods to solve the problem of fuel economy and improvement of energy efficiency of boiler plants is development of technologies for deep heat recuperation of boiler exhaust gases. We offer a process scheme of a power plant with steam-turbine units (STU) that allows for deep recuperation of heat from boiler combustion products from STU condenser using cooler-condensate with minimum costs without the use of heat pump units.

Описание:

Одним из путей решения проблемы экономии топлива и повышения энергоэффективности котельных установок является разработка технологий глубокой утилизации теплоты уходящих газов из котлов.Предлагаем технологическую схему электростанции с паротурбинными установками (ПТУ), позволяющую с минимальными затратами, без применения теплонасосных установок, осуществить глубокую утилизацию тепла отходящих из котла продуктов сгорания благодаря наличию охладителя – конденсата из конденсатора ПТУ.

Е. Г. Шадек , канд. техн. наук, независимый эксперт

Одним из путей решения проблемы экономии топлива и повышения энергоэффективности котельных установок является разработка технологий глубокой утилизации теплоты уходящих газов из котлов. Предлагаем технологическую схему электростанции с паротурбинными установками (ПТУ), позволяющую с минимальными затратами, без применения теплонасосных установок, осуществить глубокую утилизацию тепла отходящих из котла продуктов сгорания благодаря наличию охладителя – конденсата из конденсатора ПТУ.

Глубокая утилизация тепла продуктов сгорания (ПС) обеспечивается при их охлаждении ниже температуры точки росы, равной для ПС природного газа 50–55 0 С. При этом происходят следующие явления:

• конденсация водяных паров (до 19–20 % объема или 12–13 % веса продуктов сгорания),
• утилизация физической теплоты ПС (40–45 % всего теплосодержания),
• утилизация скрытой теплоты парообразования (соответственно 60–55 %) .

Ранее установлено, что экономия топлива при глубокой утилизации в сравнении с котлом с паспортным (максимальным) КПД 92 % составляет 10–13 %. Отношение количества утилизируемого тепла к тепловой мощности котла составляет порядка 0,10–0,12, а КПД котла в конденсационном режиме – 105 % по низшей теплотворной способности газа.

Кроме того, при глубокой утилизации в присутствии в ПС водяных паров эмиссия вредных выбросов сокращается на 20–40 % и более, что делает процесс экологически чистым.

Еще один эффект глубокой утилизации – улучшение условий и продолжительности службы газового тракта, т. к. конденсация локализуется в камере, где установлен утилизационный теплообменник, независимо от температуры наружного воздуха .

Глубокая утилизация для отопительных систем

В передовых западных странах глубокая утилизация для отопительных систем осуществляется применением водогрейных котлов конденсационного типа, оборудованных конденсационным экономайзером .

Низкая, как правило, температура обратной воды (30–40 0 С) при типичном температурном графике, например 70/40 0 С, в системах отопления этих стран позволяет обеспечить глубокую утилизацию тепла в конденсационном экономайзере, оснащенном узлом сбора, отвода и обработки конденсата (с последующим его использованием для подпитки котла). Такая схема обеспечивает конденсационный режим работы котла без искусственного хладоносителя, т. е. без применения теплонасосной установки.

Эффективность и рентабельность глубокой утилизации для отопительных котлов в доказательствах не нуждаются. Конденсационные котлы получили на Западе широкое применение: до 90 % всех выпускаемых котлов – конденсационные. Эксплуатируются такие котлы и в нашей стране, хотя их производство у нас отсутствует.

В России, в отличие от стран с теплым климатом, температура в обратной магистрали тепловых сетей, как правило, выше значения точки росы, и глубокая утилизация возможна только в четырехтрубных системах (встречающихся крайне редко) или при использовании тепловых насосов. Главная причина отставания России в разработках и внедрении глубокой утилизации – низкая цена природного газа, высокие капзатраты из-за включения в схему тепловых насосов и длительные сроки окупаемости .

Глубокая утилизация для котлов электростанций

Эффективность глубокой утилизации для котлов электростанций (рис. 1) значительно выше, чем для отопительных, в силу стабильной нагрузки (КИМ = 0,8–0,9) и больших единичных мощностей (десятки мегаватт).

Оценим ресурс тепла продуктов сгорания станционных котлов, учитывая их высокий КПД (90–94 %). Данный ресурс определяется количеством сбросного тепла (Гкал/ч или кВт), однозначно зависимым от тепловой мощности котла Q K , и температурой за газовыми котлами Т 1УХ, которую в России принимают не ниже 110–130 0 С по двум причинам:

• для увеличения естественной тяги и снижения напора (расхода энергии) дымососа;
• для исключения конденсации водяных паров в боровах, газоходах и дымовых трубах.

Расширенный анализ большого массива 1 опытных данных балансовых, пусконаладочных испытаний, проведенных специализированными организациями, режимных карт, отчетной статистики станций и т. п. и результаты расчетов значений потери тепла с уходящими продуктами сгорания q 2 , количествa утилизируемого тепла 2 Q УТ и производных от них показателей в широком диапазоне нагрузок станционных котлов приведены в табл. 1 3 . Цель – определение q 2 и соотношений величин Q K , q 2 и Q УТ в типовых условиях работы котлов (табл. 2). В нашем случае не имеет значения, какой котел: паровой или водогрейный, промышленный или отопительный.

Показатели табл. 1, выделенные голубым цветом, рассчитывали по алгоритму (см. справку). Расчет процесса глубокой утилизации (определение Q УТ и др.) проводили по инженерной методике, приведенной в и описанной в . Коэффициент теплопередачи «продукты сгорания – конденсат» в конденсационном теплообменнике определяли по эмпирической методике завода – изготовителя теплообменника (ОАО «Калориферный завод», Кострома).

Результаты свидетельствуют о высокой экономической эффективности технологии глубокой утилизации для станционных котлов и рентабельности предлагаемого проекта. Срок окупаемости систем – от 2 лет для котла минимальной мощности (табл. 2, котел № 1) до 3–4 мес. Полученные соотношения β, φ, σ, а также статьи экономии (табл. 1, строки 8–10, 13–18) позволяют сразу оценить возможности и конкретные показатели заданного процесса, котла.

Утилизация тепла в газовом подогревателе

Обычная технологическая схема электростанции предусматривает нагрев конденсата в газовом подогревателе (часть хвостовых поверхностей котла, экономайзера) на отходящих из котла дымовых газах.

После конденсатора насосами (иногда через блочную обессоливающую установку – далее БОУ) конденсат направляется в газовый подогреватель, после которого поступает в деаэратор. При нормативном качестве конденсата БОУ байпасируют. Для исключения конденсации водяных паров из уходящих газов на последних трубах газового подогревателя температура конденсата перед ним поддерживается не ниже 60 0 С посредством рециркуляции на вход в него подогретого конденсата.

Для дополнительного снижения температуры уходящих газов в линию рециркуляции конденсата нередко включают водоводяной теплообменник, охлаждаемый подпиточной водой теплосети. Подогрев сетевой воды осуществляется конденсатом из газового подогревателя. При дополнительном охлаждении газов на 10 0 С в каждом котле можно получить около 3,5 Гкал/ч теплофикационной нагрузки.

Для предотвращения кипения конденсата в газовом подогревателе за ним устанавливают регулирующие питательные клапаны. Основное их назначение – распределение расхода конденсата между котлами в соответствии с тепловой нагрузкой ПТУ .

Система глубокой утилизации с конденсационным теплообменником

Как можно видеть из технологической схемы (рис. 1), конденсат пара из конденсатосборника насосом 14 подается в сборный бак 21, а оттуда в распределительный коллектор 22. Здесь конденсат при помощи системы автоматического регулирования станции (см. ниже) разделяется на два потока: один подается в узел глубокой утилизации 4 , в конденсационный теплообменник 7, а второй – на подогреватель низкого давления (ПНД) 18, а затем в деаэратор 15. Температура конденсата пара из конденсатора турбины (около 20–35 0 С) позволяет охладить продукты сгорания в конденсационном теплообменнике 7 до требуемых 40 0 С, т. е. обеспечить глубокую утилизацию.

Нагретый конденсат пара из конденсационного теплообменника 7 подается через ПНД 18 (либо минуя 18) в деаэратор 15. Полученный в конденсационном теплообменнике 7 конденсат продуктов сгорания сливается в поддон и резервуар 10. Оттуда он подается в бак загрязненного конденсата 23 и перекачивается дренажным насосом 24 в бак запаса конденсата 25, из которого конденсатным насосом 26 через регулятор расхода подается на участок очистки конденсата продуктов сгорания (на рис. 1 не показан), где производят его обработку по известной технологии. Очищенный конденсат продуктов сгорания подают в ПНД 18 и далее в деаэратор 15 (либо сразу в 15). Из деаэратора 15 поток чистого конденсата подают питательным насосом 16 в подогреватель высокого давления 17, а из него в котел 1.

Таким образом, утилизируемое в конденсационном теплообменнике тепло продуктов сгорания экономит топливо, расходуемое в технологической схеме электростанции на подогрев станционного конденсата перед деаэратором и в самом деаэраторе.

Конденсационный теплообменник устанавливают в камере 35 на стыке котла 27 с газоходом (рис. 2в). Тепловую нагрузку конденсационного теплообменника регулируют байпасированием, т. е. отводом части горячих газов помимо конденсационного теплообменника через байпасный канал 37 дроссель-клапаном (шибером) 36.

Простейшей была бы традиционная схема: конденсационный экономайзер, точнее хвостовые секции экономайзера котла, типа газовый подогреватель, но работающие в конденсационном режиме, т. е. с охлаждением продуктов сгорания ниже температуры точки росы. Но при этом возникают трудности конструктивного и эксплуатационного плана (обслуживание и пр.), требующие специальных решений.

Применимы различные типы теплообменников: кожухотрубные, прямотрубные, с накатанными ребрами, пластинчатые или эффективная конструкция с новой формой теплообменной поверхности с малым радиусом гиба (регенератор РГ-10, НПЦ «Анод»). В данной схеме в качестве конденсационного теплообменника приняты теплообменные блоки-секции на базе биметаллического калорифера марки ВНВ123-412-50АТЗ (ОАО «Калориферный завод», Кострома).

Выбор компоновки секций и подключения по воде и газам позволяют варьировать и обеспечивать скорости воды и газов в рекомендуемых пределах (1–4 м/с) . Газоход, камера, газовый тракт выполняются из коррозионно-стойких материалов, покрытий, в частности нержавеющих сталей, пластиков – это общепринятая практика.

* Потери тепла с химической неполнотой сгорания отсутствуют.

Особенности глубокой утилизации с конденсационным теплообменником

Высокая эффективность технологии позволяет в широких пределах регулировать тепловую мощность системы, сохраняя ее рентабельность: степень байпасирования, температуру продуктов сгорания за конденсационным теплообменником и пр. Тепловую нагрузку конденсационного теплообменника QУТ и, соответственно, количество конденсата, подаваемое в него из коллектора 22 (рис. 1), определяют как оптимальную (а не обязательно максимальную) по технико-экономическим расчетам и конструктивным соображениям с учетом режимных параметров, возможностей и условий технологической схемы котла и станции в целом.

После контакта с продуктами сгорания природного газа конденсат сохраняет высокое качество и нуждается в простой и недорогой очистке – декарбонизации (и то не всегда) и дегазации. После обработки на участке химводоподготовки (не показан) конденсат насосом через регулятор расхода подается в конденсатную линию станции – на деаэратор, а после него в котел. Если конденсат не используется, его сливают в канализацию.

В узле сбора и обработки конденсата (рис. 1, поз. 8, 10, рис. 2, поз. 23–26) применяют известное штатное оборудование систем глубокой утилизации (см., например, ).

В установке вырабатывается большое количество избыточной воды (конденсата водяных паров от сгорания углеводородов и дутьевого воздуха), поэтому система не нуждается в подпитке.

Температура продуктов сгорания на выходе из конденсационного теплообменника Т 2УХ определяется условием конденсации водяных паров в уходящих продуктах сгорания (в диапазоне 40–45 0 С).

С целью исключения выпадения конденсата в газовом тракте и особенно в дымовой трубе предусматривается байпасирование, т. е. перепуск части продуктов сгорания по обводному каналу помимо узла глубокой утилизации так, чтобы температура смеси газов за ним была в пределах 70–90 0 С. Байпасирование ухудшает все показатели процесса. Оптимальный режим – работа с байпасированием в холодное время года, а летом, когда опасности конденсации и обледенения нет, – без него.

Температура уходящих газов котлов (обычно 110–130 0 С) позволяет нагревать конденсат в конденсационном теплообменнике перед деаэратором до требуемых 90–100 0 С. Таким образом, удовлетворяются требования технологии по температурам: и нагрева конденсата (порядка 90 0 С), и охлаждения продуктов сгорания (до 40 0 С) до конденсации.

Сравнение технологий утилизации тепла продуктов сгорания

Принимая решение по утилизации тепла продуктов сгорания котла, следует сравнивать эффективности предлагаемой системы глубокой утилизации и традиционной схемы с газовым подогревателем как ближайшего аналога и конкурента.

Для нашего примера (см. справку 1) мы получили при глубокой утилизации количество утилизируемого тепла Q УТ равным 976 кВт.

Принимаем температуру конденсата на входе в газовый подогреватель конденсата 60 0 С (см. выше), при этом температура продуктов сгорания на выходе из него как минимум 80 0 С. Тогда утилизируемое в газовом подогревателе тепло продуктов сгорания, т. е. экономия тепла, будет равна 289 кВт , что в 3,4 раза меньше, чем в системе глубокой утилизации. Таким образом, «цена вопроса» в нашем примере 687 кВт, или, в годовом исчислении, 594 490 м 3 газа (при КИМ = 0,85) стоимостью около 3 млн руб. Выигрыш будет расти с мощностью котла.

Достоинства технологии глубокой утилизации

В заключение можно сделать выводы, что, помимо энергосбережения, при глубокой утилизации продуктов сгорания котла электростанции достигаются следующие результаты:

• снижение эмиссии токсичных окислов CO и NOx, обеспечение экологической чистоты процесса;
• получение дополнительной, избыточной воды и исключение тем самым потребности в подпиточной воде котла;
• конденсация водяных паров продуктов сгорания локализуется в одном месте – в конденсационном теплообменнике. Не считая незначительного брызгоуноса после каплеуловителя, исключается выпадение конденсата в последующем газовом тракте и связанные с этим разрушение газоходов от коррозионного воздействия влаги, образование наледи в тракте и особенно в дымовой трубе;
• необязательным в ряде случаев становится применение водо-водяного теплообменника; отпадает необходимость в рециркуляции: подмешивании части горячих газов к охлажденным (или нагретого конденсата к холодному) в целях повышения температуры уходящих продуктов сгорания для предотвращения конденсации в газовом тракте и дымовой трубе (экономия энергии, средств).

Литература

1. Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Горшков В. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 2 (23).
2. Шадек Е. Тригенерация как технология экономии энергоресурсов // Энергосбережение. 2015. № 2.
3. Шадек Е., Маршак Б., Крыкин И., Горшков В. Конденсационный теплообменник-утилизатор – модернизация котельных установок // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 3 (24).
4. Кудинов А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. М. : Машиностроение, 2012.
5. Равич М. Упрощенная методика теплотехнических расчётов. М. : Изд-во АН СССР, 1958.
6. Березинец П., Ольховский Г. Перспективные технологии и энергоустановки для производства тепловой и электрической энергии. Раздел шестой. 6.2 газотурбинные и парогазовые установки. 6.2.2. Парогазовые установки. ОАО «ВТИ». «Современные природоохранные технологии в энергетике». Информационный сборник под ред. В. Я. Путилова. М. : Издательский дом МЭИ, 2007.

1 Первоисточник данных: обследования водогрейных котлов (11 шт. в трех котельных тепловых сетей), сбор и обработка материалов .

2 Методика расчета, в частности Q УТ, приведена в .

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.

Описание:

Брянские тепловые сети совместно с проектным институтом ООО «ВКТИстройдормаш-Проект» разработали, изготовили и внедрили в двух котельных г. Брянска установки утилизации тепла дымовых газов (УУТГ), отходящих от водогрейных котлов

Установка утилизации тепла дымовых газов

Н. Ф. Свиридов , Р. Н. Свиридов , Брянские тепловые сети,

И. Н. Ивуков , Б. Л. Терк , ООО «ВКТИстройдормаш-Проект»

Брянские тепловые сети совместно с проектным институтом ООО «ВКТИстройдормаш-Проект» разработали, изготовили и внедрили в двух котельных г. Брянска установки утилизации тепла дымовых газов (УУТГ), отходящих от водогрейных котлов.

В результате указанного внедрения получено следующее:

Дополнительные капитальные вложения на 1 Гкал/ч получаемого тепла более чем в 2 раза ниже в сравнении, если бы строилась новая котельная, и окупаются приблизительно за 0,6 года;

Ввиду того, что используемое оборудование чрезвычайно простое в обслуживании и используется бесплатный теплоноситель, т. е. дымовой газ (ДГ), ранее выбрасывавшийся в атмосферу, стоимость 1 Гкал тепла оказывается в 8–10 раз ниже стоимости тепла, вырабатываемого котельными;

Коэффициент полезного действия котлов повышен на 10%.

Так, все затраты в ценах марта 2002 года на внедрение первой УУТГ мощностью 1 Гкал тепла в час составили 830 тыс. руб., а ожидаемая экономия в год составит 1,5 млн руб.

Такие высокие технико-экономические показатели объяснимы.

Существует мнение, что коэффициент полезного действия лучших отечественных котлов тепловой мощностью от 0,5 МВт и выше достигает 93%. В действительности он не превышает 83% и вот почему.

Различают низшую и высшую теплоту сгорания топлива. Низшая теплота сгорания меньше высшей на то количество тепла, которое затрачивается на испарение воды, образующейся при сгорании топлива, а также влаги, содержащейся в нем. Пример для наиболее дешевого топлива – природного газа: в ДГ, образуемых при его сжигании, содержатся пары воды, занимающие в их объеме до 19%; высшая теплота его сгорания превышает низшую ориентировочно на 10%.

Для повышения работоспособности дымовых труб, через которые ДГ выбрасываются в атмосферу, необходимо, чтобы пары воды, находящиеся в ДГ, не начали конденсироваться в дымовых трубах при самых низких температурах окружающей среды.

Проектами УУТГ реанимированы и улучшены давно забытые технические решения, направленные на утилизацию тепла ДГ.

УУТГ содержит контактный и пластинчатый теплообменники с двумя самостоятельными контурами оборотной и расходной воды.

Устройство и работа УУТГ ясны из приведенной на рисунке схемы и описания ее позиций.

В контактном теплообменнике в вертикальном противотоке движутся ДГ и распыленная оборотная вода, т. е. ДГ и вода напрямую контактируют друг с другом. Для поддержания равномерного распыления оборотной воды используются форсунки и специальная керамическая насадка.

Нагретая оборотная вода, перекачиваемая в своем водном контуре самостоятельным насосом, отдает тепло, приобретенное в контактном теплообменнике, расходной воде в пластинчатом теплообменнике.

Для требуемого охлаждения оборотной воды должна быть использована только холодная водопроводная вода, которая после нагрева в УУТГ доводится до кондиционной температуры в бойлерах существующих котельных и используется далее для горячего водоснабжения жилья.

В контактном теплообменнике охлажденные ДГ дополнительно проходят каплеуловитель и, потеряв в итоге более 70% влаги в виде конденсата паров воды, соединяются с частью горячих ДГ (10–20% от объема ДГ, отходящих от котла), направленных сразу от котла в дымовую трубу, образуя при этом смесь ДГ с низким влагосодержанием и с температурой, достаточной для прохождения дымовой трубы без конденсации остатка паров воды.

Объем оборотной воды непрерывно увеличивается за счет конденсата паров воды, находившихся в ДГ. Образуемый излишек автоматически сливается через вентиль с электромеханическим приводом и может с подготовкой использоваться в качестве дополнительной воды в отопительной системе котельной. Удельный расход сливаемой воды на 1 Гкал утилизированного тепла составляет около 1,2 т. Слив конденсата контролируется уровнемерами В и Н.

Описанный способ и оборудование утилизации тепла ДГ способны работать с чистыми от пыли продуктами сжигания топлива, имеющими не ограниченную по максимуму температуру. При этом чем выше будет температура дымового газа, тем до более высокой температуры будет нагреваться расходная вода. Более того, в этом случае есть возможность оборотную воду частично использовать на нагрев отопительной воды. Учитывая то, что контактный теплообменник одновременно работает как мокрый уловитель пыли, можно практически утилизировать тепло запыленных ДГ, очищая оборотную воду известными способами от пыли перед подачей ее в пластинчатый теплообменник. Есть возможность нейтрализовать оборотную воду, загрязненную химическими соединениями. Поэтому описанную УУТГ можно использовать для работы с ДГ, участвовавшими в технологических процессах при плавке (например, мартеновские, стекловаренные печи), при прокалке (например, кирпича, керамики), при нагреве (слитков перед прокаткой) и т. д.

К сожалению, в России отсутствуют стимулы, побуждающие заниматься энергосбережением.