Установки утилизации тепла дымовых газов. Утилизация дымовых газов
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» .
Утилизация тепла отходящих дымовых газов
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, увеличить 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 одновременно. Это делается тогда, когда температура дымовых газов после теплообменников регенеративного или рекуперативного типа остается достаточно высокой и целесообразна дальнейшая утилизация тепла в теплосиловых установках. Так, например, в мартеновских печах температура дымовых газов после регенераторов составляет 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 единицы 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 единицы физического тепла тем больше, чем ниже коэффициент использования топлива и чем выше температура отходящих дымовых газов.
Для нормальной работы печи следует каждый час в рабочее пространство подавать необходимое количество тепла. В это количество тепла входит не только тепло топлива , но и тепло подогретого воздуха или газа , т. е. .
Ясно, что при = const увеличение позволит уменьшить . Иными словами, утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива, которая зависит от степени утилизации тепла дымовых газов
где - соответственно энтальпия подогретого воздуха и отходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт, или кДж/период.
Степень утилизации тепла может быть также названа к.п.д. рекуператора (регенератора), %
Зная величину степени утилизации тепла, можно определить экономию топлива по следующему выражению:
где I"д, Iд - 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 , что может являться основной целью рекуперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.
Повышение при приводит к увеличению температуры горения. Если необходимо обеспечить определенную величину , 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 к максимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необходимо сразу заметить, что утилизация не может быть полной, т. е. всегда . Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до определенных пределов, после которых оно уже приводит к очень незначительному выигрышу в экономии тепла.
Труды Инсторфа 11 (64)
УДК 622.73.002.5
Горфин О.С. Gorfin O.S.
Горфин Олег Семенович, к. т. н., проф. кафедры торфяных машин и оборудования Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. [email protected] Gorfin Oleg S., PhD, Professor of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University. Tver, Academicheskaya, 12
Зюзин Б.Ф. Zyuzin B.F.
Зюзин Борис Федорович, д. т. н., проф., зав. кафедрой торфяных машин и оборудования ТвГТУ [email protected] Zyuzin Boris F., Dr. Sc., Professor, Head of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University
Михайлов А.В. Mikhailov A.V.
Михайлов Александр Викторович, д. т. н., профессор кафедры машиностроения, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Ленинский пр., д. 55, корп. 1, кв. 635. [email protected] Mikhailov Alexander V., Dr. Sc., Professor of the Chair of Machine Building of the National Mining University, St. Petersburg, Leninsky pr., 55, building 1, Apt. 635
УСТРОЙСТВО THE DEVICE FOR DEEP
ДЛЯ ГЛУБОКОЙ UTILIZATION OF HEAT
УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА OF COMBUSTION GASES
ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА OF SUPERFICIAL TYPE
Аннотация. В статье рассмотрена конструкция теплоутилизатора, в которой изменен способ передачи утилизированной тепловой энергии от теплоносителя среде, воспринимающей теплоту, позволяющая утилизировать теплоту парообразования влаги топлива при глубоком охлаждении дымовых газов и полностью ее использовать на нагрев охлаждающей воды, направляемой без дополнительной обработки на нужды паротурбинного цикла. Конструкция позволяет в процессе утилизации теплоты осуществлять очистку дымовых газов от серной и сернистой кислот, а очищенный конденсат использовать в качестве горячей воды. Abstract. The article describes the design of heat exchanger, in which new method is used for transmitting of recycled heat from the heat carrier to the heat receiver. The construction allows to utilize the heat of the vaporization of fuel moisture while the deep cooling of flue gases and to fully use it for heating the cooling water allocated without further processing to the needs of steam turbine cycle. The design allows purifying of waste flue gases from sulfur and sulphurous acid and using the purified condensate as hot water.
Ключевые слова: ТЭЦ; котельные установки; теплоутилизатор поверхностного типа; глубокое охлаждение дымовых газов; утилизация теплоты парообразования влаги топлива. Key words: Combined heat and power plant; boiler installations; heat utilizer of superficial type; deep cooling of combustion gases; utilization of warmth of steam formation of fuel moisture.
Труды Инсторфа 11 (64)
В котельных тепловых электростанций энергия парообразования влаги т оплива вместе с дымовыми газами выбрасывается в атмосферу.
В газифицированных котельных потери теплоты с уходящими дымовыми газами могут достигать 25%. В котельных, работающих на твердом топливе, потери теплоты еще выше.
На технологические нужды ТБЗ в котельных сжигается фрезерный торф влажностью до 50%. Это значит, что половину массы топлива составляет вода, которая при сгорании превращается в пар и потери энергии на парообразование влаги топлива достигают 50%.
Уменьшение потерь тепловой энергии - это не только вопрос экономии топлива, но и снижение вредных выбросов в атмосферу.
Сокращение потерь тепловой энергии возможно при использовании теплоутилизаторов различных конструкций.
Конденсационные теплоутилизаторы, в которых охлаждение дымовых газов осуществляется ниже точки росы, позволяют утилизировать скрытую теплоту конденсации водяных паров влаги топлива.
Наибольшее распространение получили контактные и поверхностные теплоутилизаторы. Контактные теплообменники широко распространяются в промышленности и энергетике в связи с простотой конструкции, малой металлоемкостью и высокой интенсивностью теплообмена (скрубберы, градирни). Но они имеют существенный недостаток: происходит загрязнение охлаждающей воды вследствие ее контакта с продуктами сгорания - дымовыми газами.
В этом отношении более привлекательны поверхностные теплоутилизаторы, не имеющие непосредственного контакта продуктов сгорания и охлаждающей жидкости, недостатком которых является сравнительно низкая температура ее нагрева, равная температуре мокрого термометра (50...60 °С).
Достоинства и недостатки существующих теплоутилизаторов широко освещены в специальной литературе .
Эффективность поверхностных теплоутилизаторов можно существенно повысить, изменив способ теплообмена между средой, отдающей теплоту и ее воспринимающей, как это сделано в предлагаемой конструкции теплоутилизатора .
Схема теплоутилизатора для глубокой утилизации тепла дымовых газов показана
на рисунке. Корпус 1 теплоутилизатора опирается на основание 2. В средней части корпуса установлен изолированный резервуар 3 в виде призмы, заполненный предварительно очищенной проточной водой. Вода поступает сверху через патрубок 4 и удаляется в нижней части корпуса 1 насосом 5 через шибер 6.
С двух торцевых сторон резервуара 3 расположены изолированные от средней части рубашки 7 и 8, полости которых через объем резервуара 3 соединены между собой рядами горизонтальных параллельных труб, образующих пучки труб 9, в которых газы перемещаются в одну сторону. Рубашка 7 разделена на секции: нижнюю и верхнюю одинарные 10 (высотой h) и остальные 11 - двойные (по высоте 2h); рубашка 8 имеет секции только двойные 11. Нижняя одинарная секция 10 рубашки 7 пучком труб 9 соединена с нижней частью двойной секции 11 рубашки 8. Далее верхняя часть этой двойной секции 11 рубашки 8 пучком труб 9 соединена с нижней частью следующей двойной секции 11 рубашки 7 и так далее. Последовательно верхняя часть секции одной рубашки соединена с нижней частью секции второй рубашки, а верхняя часть этой секции соединена пучком труб 9 с нижней частью следующей секции первой рубашки, образуя, таким образом, змеевик переменного сечения: пучки труб 9 периодически чередуются объемами секций рубашек. В нижней части змеевика расположен патрубок 12 - для подвода дымовых газов, в верхней части - патрубок 13 для выхода газов. Патрубки 12 и 13 соединены между собой байпасным газоходом 4, в котором установлен шибер 15, предназначенный для перераспределения части горячих дымовых газов в обход теплоутилизатора в дымовую трубу (на рисунке не показана).
Дымовые газы поступают в теплоутилизатор и разделяются на два потока: в нижнюю одинарную секцию 10 (высотой h) рубашки 7 поступает основная часть (около 80%) продуктов сгорания и по трубам пучка 9 направляется в змеевик теплоутилизатора. Остальная часть (около 20%) поступает в байпасный газоход 14. Перераспределение газов производится для повышения температуры остывших дымовых газов за теплоутилизатором до 60-70 °С с целью предотвращения возможной конденсации остатков паров влаги топлива в хвостовых участках системы.
Дымовые газы подводятся к теплоутилизатору снизу через патрубок 12, а удаляются в
Труды Инсторфа 11 (64)
Рисунок. Схема теплоутилизатора (вид А - соединение труб с рубашками) Figure. The scheme of the heatutilizer (a look A - connection of pipes with shirts)
верхней части установки - патрубок 13. Предварительно подготовленная холодная вода заполняет резервуар сверху через патрубок 4, а удаляется насосом 5 и шибером 6, расположенными в нижней части корпуса 1. Противоток воды и дымовых газов повышает эффективность теплообмена.
Перемещение дымовых газов через теплоутилизатор осуществляется технологическим дымососом котельной. Для преодоления дополнительного сопротивления, создаваемого теплоутилизатором, возможна установка более мощного дымососа. При этом следует иметь в виду, что дополнительное гидравлическое сопротивление частично преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания в связи с конденсацией водяного пара дымовых газов.
Конструкция теплообменника обеспечивает не только эффективную утилизацию теплоты парообразования влаги топлива, но и удаление образующегося конденсата из потока дымовых газов.
Объем секций рубашек 7 и 8 больше объема соединяющих их труб, поэтому скорость газов в них снижается.
Дымовые газы, поступающие в теплоутилизатор, имеют температуру 150-160 °С. Серная и сернистая кислоты конденсируются при температуре 130-140 °С, поэтому конденсация кислот происходит в начальной части змеевика. При снижении скорости газового потока в расширяющихся частях змеевика -секциях рубашки и увеличении плотности конденсата серной и сернистой кислот в жидком состоянии по сравнению с плотностью в газообразном состоянии, многократном изменении направления движения потока дымовых газов (инерционная сепарация) конденсат кислот выпадает в осадок и вымывается из газов частью конденсата водяных паров в конденсатосборник кислот 16, откуда при срабатывании затвора 17 удаляется в промышленную канализацию.
Большая часть конденсата - конденсат водяных паров выделяется при дальнейшем понижении температуры газов до 60-70 °С в верхней части змеевика и поступает в конденсатосборник влаги 18, откуда без дополнительной обработки может использоваться в качестве горячей воды.
Труды Инсторфа 11 (64)
Трубы змеевика необходимо изготавливать из антикоррозийного материала или с внутренним антикоррозийным покрытием. Для предотвращения коррозии все поверхности теплоутилизатора и соединительных трубопроводов следует гуммировать.
В данной конструкции теплоутилизатора дымовые газы, содержащие пары влаги топлива, перемещаются по трубам змеевика. Коэффициент теплоотдачи при этом составляет не более 10 000 Вт/(м2 °С), за счет чего резко повышается эффективность теплообмена. Трубы змеевика находятся непосредственно в объеме охлаждающей жидкости, поэтому теплообмен происходит постоянно контактным способом. Это позволяет осуществить глубокое охлаждение дымовых газов до температуры 40-45 °С, причем вся утилизированная теплота парообразования влаги топлива передается охлаждающей воде. Охлаждающая вода не контактирует с дымовыми газами, поэтому может без дополнительной обработки использоваться в паротурбинном цикле и потребителями горячей воды (в системе горячего водоснабжения, подогрев обратной сетевой воды, технологические нужды предприятий, в тепличных и парниковых хозяйствах и т. д.). В этом главное достоинство предлагаемой конструкции теплоутилизатора.
Преимуществом предлагаемого устройства является также то, что в теплоутилизаторе регулируется время передачи теплоты от среды горячих дымовых газов охлаждающей жидкости, а следовательно ее температуры, изменением расхода жидкости с помощью шибера.
Для проверки результатов использования теплоутилизатора произведены тепло-техниче-ские расчеты котельной установки паропроизводительностью котла 30 т пара/ч (температура 425 °С, давление 3,8 МПа). В топке сжигается 17,2 т/ч фрезерного торфа влажностью 50% .
В торфе влажностью 50% содержится 8,6 т/ч влаги, которая при сжигании торфа переходит в дымовые газы.
Расход сухого воздуха (дымовых газов)
Gfl. г. = а х L х G,^^ = 1,365 х 3,25 х 17 200 = 76 300 кГ д. г. / ч,
где L = 3,25 кГ сух. г /кГ торфа - теоретически необходимое количество воздуха для горения; а =1,365 - средний коэффициент подсоса воздуха.
1. Теплота утилизации дымовых газов Энтальпия дымовых газов
J = ссм х t + 2,5 d, ^ж/кГ. сух. газ,
где ссм - теплоемкость дымовых газов (теплоемкость смеси), ^ж/кГ °К, t - температура газов, °К, d- влагосодержание дымовых газов, Г. влаги/кГ. д. г.
Теплоемкость смеси
ссМ = сг + 0,001dcn,
где сг, сп - теплоемкость соответственно сухого газа (дымовых газов) и пара.
1.1. Дымовые газы на входе в теплоутилизатор температурой 150 - 160 °С, принимаем Ц. г. = 150 °С; сп = 1,93 - теплоемкость пара; сг = 1,017 - теплоемкость сухих дымовых газов при температуре 150 °С; d150, Г/кГ. сух. г - влагосодержание при 150 °С.
d150 = GM./Gfl. г. = 8600 /76 300 х 103 =
112,7 Г/кГ. сух. г,
где Gвл. = 8600 кГ/ч - масса влаги в топливе. ссм =1,017 + 0,001 х 112,7 х 1,93 = 1,2345 ^ж/кГ.
Энтальпия дымовых газов J150 = 1,2345 х 150 + 2,5 х 112,7 = 466,9 ^ж/кГ.
1.2. Дымовые газы на выходе из теплоутилизатора температурой 40 °С
ссм = 1,017 + 0,001 х 50 х 1,93 = 1,103 ^ж/кГ °С.
d40 =50 Г/кГ сух г.
J40 = 1,103 х 40 + 2,5 х 50 = 167,6 ^ж/кГ.
1.3. В теплоутилизаторе 20% газов проходят по байпасному газоходу, а 80% - через змеевик.
Масса газов, проходящая через змеевик и участвующая в теплообмене
GзМ = 0,8Gfl. г. = 0,8 х 76 300 = 61 040 кГ/ч.
1.4. Теплота утилизации
Отл = (J150 - J40) х ^м = (466,9 - 167,68) х
61 040 = 18,26 х 106, ^ж/ч.
Эта теплота затрачивается на нагрев охлаждающей воды
Qx™= W х св х (t2 - t4),
где W- расход воды, кГ/ч; св = 4,19 ^ж/кГ °С -теплоемкость воды; t 2, t4 - температура воды
Труды Инсторфа 11 (64)
соответственно на выходе и входе в теплоутилизатор; принимаем tx = 8 °С.
2. Расход охлаждающей воды, кГ/с
W=Qyra /(св х (t2 - 8) = (18,26 / 4,19) х 106 / (t2 - 8)/3600 = 4,36 х 106/ (t2 -8) х 3600.
Используя полученную зависимость, можно определить расход охлаждающей воды необходимой температуры, например:
^, °С 25 50 75
W, кГ/с 71,1 28,8 18,0
3. Расход конденсата G^^ составляет:
^онд = GBM(d150 - d40) = 61,0 х (112,7 - 50) =
4. Проверка возможности конденсации остатков влаги парообразования топлива в хвостовых элементах системы.
Среднее влагосодержание дымовых газов на выходе из теплоутилизатора
^р = (d150 х 0,2 Gд. г. + d40 х 0,8 Gд. г.) / GA г1 =
112,7 х 0,2 + 50 х 0,8 =62,5 Г/кГ сух. г.
По J-d-диаграмме этому влагосодержанию соответствует температура точки росы, равная tp. р. = 56 °С.
Фактическая температура дымовых газов на выходе из теплоутилизатора равна
tcjmKT = ti50 х 0,2 + t40 х 0,8 = 150 х 0,2 + 40 х 0,8 = 64 °С.
Так как фактическая температура дымовых газов за теплоутилизатором выше точки росы, конденсации паров влаги топлива в хвостовых элементах системы происходить не будет.
5. Коэффициент полезного действия
5.1. Коэффициент полезного действия утилизации теплоты парообразования влаги топлива.
Количество теплоты, подведенное к теплоутилизатору
Q^h = J150 х Gft г = 466,9 х 76 300 =
35,6 х 106, М Dж/ч.
КПДутл. Q = (18,26 /35,6) х 100 = 51,3%,
где 18,26 х 106, МDж /ч - теплота утилизации парообразования влаги топлива.
5.2. Коэффициент полезного действия утилизации влаги топлива
КПДутл. W = ^конд / W) х 100 = (3825 / 8600) х 100 = 44,5%.
Таким образом, предлагаемый теплоутилизатор и способ его работы обеспечивают глубокое охлаждение дымовых газов. За счет конденсации паров влаги топлива резко повышается эффективность теплообмена между дымовыми газами и охлаждающей жидкостью. При этом вся утилизированная скрытая теплота парообразования передается для нагрева охлаждающей жидкости, которая без дополнительной обработки может использоваться в паротурбинном цикле.
В процессе работы теплоутилизатора происходит очистка дымовых газов от серной и сернистой кислот, в связи с чем конденсат паров может использоваться для горячего теплоснабжения.
Расчеты показывают, что коэффициент полезного действия составляет:
При утилизации теплоты парообразования
влаги топлива - 51,3%
Влаги топлива - 44,5%.
Список литературы
1. Аронов, И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. - Л.: Недра, 1990. - 280 с.
2. Кудинов, А.А. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. - М.: Машиностроение, 2011. - 373 с.
3. Пат. 2555919 (RU).(51) МПК F22B 1|18 (20006.01). Теплоутилизатор для глубокой утилизации тепла дымовых газов поверхностного типа и способ его работы /
О.С. Горфин, Б.Ф. Зюзин // Открытия. Изобретения. - 2015. - № 19.
4. Горфин, О.С., Михайлов, А.В. Машины и оборудование по переработке торфа. Ч. 1. Производство торфяных брикетов. - Тверь: ТвГТУ 2013. - 250 с.
Использование: энергетика, утилизация теплоты уходящих газов. Сущность изобретения: поток газов увлажняют путем его пропускания через пленку конденсата, сформированную на двухгранном дырчатом листе 4, где газы насыщаются водяными парами. В камере 2 над листом 4 происходит объемная конденсация водяных паров на пылевидных частицах и мельчайших капельках парогазового потока. Подготовленная парогазовая смесь охлаждается до температуры точки росы путем передачи тепла потока нагреваемой среды через стенку теплообменных элементов 8. Конденсат из потока выпадает на наклонные перегородки 5 с желобами 10 и далее поступает на лист 4 по сливной трубе 9. 1 ил.
Предлагаемое изобретение относится к области котельной техники, а более конкретно к сфере утилизации теплоты отходящих газов. Известен способ утилизации теплоты уходящих газов (СССР авт.св. N 1359556, МКИ F 22 В 33/18, 1986), являющийся ближайшим аналогом, при котором продукты сгорания последовательно принудительно увлажняются, сжимаются в компрессоре, охлаждаются до температуры ниже температуры точки росы совместно с конденсацией водяных паров при давлении выше атмосферного, сепарируются в сепараторе, расширяются с одновременным понижением температуры в турбодетандере и удаляются в атмосферу. Известен способ утилизации теплоты отходящих газов (ГДР, пат. N 156197, МКИ F 28 D 3/00, 1982) достигающийся противоточным движением в теплообменнике отходящих газов и промежуточной жидкой среды, нагревающейся до температуры больше температуры точки росы отходящих газов, которые охлаждаются до температуры ниже точки росы. Известен способ низкотемпературного нагрева с использованием высшей теплотворной способности топлива (ФРГ, заявка N OS 3151418, МКИ F 23 J 11/00, 1983), заключающийся в том, что в нагревательном устройстве сжигается топливо с образованием горячих газов, которые поступают в нагревательное устройство вперед и в сторону. На части тракта течения топливные газы направляются вниз с образованием конденсата. Топливные газы на выходе имеют температуру 40 45 o С. Известный способ позволяет производить охлаждение отходящих газов ниже температуры точки росы, что несколько повышает тепловую экономичность установки. Однако, при этом имеет место распыл конденсата через форсунки, что приводит к дополнительному расходу электроэнергии на собственные нужды и увеличивает содержание водных паров в продуктах сгорания. Включение в схему компрессора и турбодетандера, осуществляющих, соответственно, сжатие и расширение продуктов сгорания, не дает повышения экономичности, и, кроме того, приводит к дополнительному расходу электроэнергии, связанному с потерями в компрессоре и турбодетандере. Задачей изобретения является интенсификация теплообмена при глубокой утилизации теплоты уходящих газов. Поставленная задача решается благодаря тому, что увлажнение газового потока осуществляют путем его пропускания через пленку конденсата с насыщением потока водяными парами с последующей конденсацией последних, а также выпадением конденсата на упомянутую пленку и стеканием неиспарившейся части. Предлагаемый способ может быть реализован в устройстве, изображенном на чертеже, где: 1 сборник конденсата, 2 камера, 3 корпус, 4 двугранный неравносторонний наклонный дырчатый лист, 5 наклонные перегородки, 6 - суживающийся двумерный диффузор, 7 расширяющийся диффузор, 8 теплообменная поверхность, 9 сливная труба, 10 желоб, 11 сопрягаемая поверхность, 12 - сепаратор, 13 теплообменник перегрева, 14 дымосос, 15 дымовая труба, 16 гидрозатвор, 17 горизонтальная ось. Работа устройства по предлагаемому способу утилизации теплоты продуктов сгорания аналогична тепловой трубе атмосферного типа. Испарительная ее часть находится в нижней части камеры 2, из которой поднимается подготовленная парогазовая смесь, а конденсационная на теплообменных поверхностях 3, с которых по наклонным перегородкам 5 с желобами 10 через сливные трубы 9 конденсат стекает на двугранный неравносторонний дырчатый лист 4, а избыток - в сборник конденсата 1. Продукты сгорания, поступившие из теплообменника перегрева 13, барботируют пленку конденсата на двугранном неравностороннем наклонном дырчатом листе 4. Конденсат распыляется, нагревается и испаряется, а его излишек стекает в сборник конденсата 1. Дымовые газы насыщаются водяными парами при давлении, примерно равном атмосферному. Оно зависит от режима совместной работы вентилятора и дымососа 14. В камере 2 водяные пары находятся в пересыщенном состоянии, так как давление пара в газовой смеси больше давления насыщенного пара. Мельчайшие капельки, пылевидные частицы продуктов сгорания становятся центрами конденсации, на которых в камере 2 без теплообмена с окружающей средой идет процесс объемной конденсации водяных паров. Подготовленная парогазовая смесь конденсируется на теплообменных поверхностях 8. При температуре поверхности этих теплообменных элементов 8 существенно ниже температуры точки росы влагосодержание продуктов сгорания после утилизатора теплоты ниже исходного. Заключительной фазой этого непрерывного процесса является выпадение конденсата на наклонные перегородки 5 с жалобами 10 и его попадание на дырчатый лист 4 по сливной трубе 9. Подтверждением достижения поставленной задачи служит следующее: 1. Величина коэффициента теплопередачи увеличилась до 180 250 Вт/м 2 o C, что резко снижает площадь теплообменной поверхности и соответственно уменьшает массогабаритные показатели. 2. Уменьшение в 2,5 3 раза начального влагосодержания водяных паров в уходящих газах снижает интенсивность коррозионных процессов газового тракта и дымовой трубы. 3. Колебание нагрузки парогенератора не влияет на снижение эффективности котельной установки.
Формула изобретения
Способ утилизации теплоты уходящих газов, заключающийся в том, что поток газов увлажняют и охлаждают до температуры точки росы путем передачи тепла потока нагреваемой среде через стенку, отличающийся тем, что увлажнение газового потока осуществляют путем его пропускания через пленку конденсата с насыщением потока водяными парами с последующей конденсацией последних, а также выпадением конденсата на упомянутую пленку и стеканием неиспарившейся его части.
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.
