Для глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы до последних лет использовались в основном только контактные теплообменники.
Применение контактных теплообменников обеспечивает развитую поверхность и высокую интенсивность теплообмена, превышающую на порядок коэффициенты теплоотдачи при конвективном теплопереносе. Однако при этом нагреваемая контактным способом вода поглощает из продуктов сгорания углекислоту и кислород и может приобретать коррозийно-агрессивные свойства.
Для предупреждения коррозии необходимо производить термическую деаэрацию воды в атмосферных термических или вакуумных деаэраторах. В первом случае нужно нагревать воду до 100 "С паром, что требует установки в котельной паровых котлов. Системы с вакуумной деаэрацией сложны и не получили широкого распространения. Необходимость деаэрации нагретой контактным способом воды может в ряде случаев затруднить ее использование [14,18].
Радикальным способом устранения этих затруднений является использование для глубокого охлаждения уходящих газов конденсационных теплообменников поверхностного типа. Поверхность теплообмена конденсационных теплообменников значительно более развита по сравнению с обычными экономайзерами и составляет, как и в контактных теплообменниках, сотни квадратных метров на 1 м3 объема аппарата. Коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к поверхностям нагрева при глубоком охлаждении, сопровождающимся конденсацией водяных паров из газов, существенно выше коэффициентов конвективной теплоотдачи и соизмеримы с коэффициентами теплообмена для контактных аппаратов. Поверхностные конденсационные теп- лообменники вполне конкурентоспособны с контактными теплоутилизаторами и тем более с контактно-поверхностными аппаратами.
Ранее металлические экономайзеры за котлами проектировались из условия охлаждения дымовых газов в них до температуры 140-И 50 °С. Это было обусловлено в основном двумя обстоятельствами: 1) технико-экономической нецелесообразностью более глубокого охлаждения газов при имевшем место соотношении цен на топливо и металл; 2) возможностью коррозии теплообменных поверхностей выпадающим конденсатом при охлаждении газов до температуры ниже точки росы. В настоящее время положение существенно изменилось и стало экономически целесообразным глубокое охлаждение дымовых газов в результате резкого повышения цен на топливо и тепловую энергию и появления более совершенных конструкций металлических теплообменников, в частности биметаллических [11].
Конденсационные котлы и экономайзеры изготовляют из различных материалов. Общим условием для всех конденсационных теплообменников поверхностного типа является высокая коррозионная стойкость, поскольку выделяющийся из продуктов сгорания конденсат имеет кислую реакцию. Для изготовления конденсационных теплообменников применяют нержавеющую сталь, чугун, медь, биметаллические трубы (сталь-алюминий), полимерные материалы и даже керамику. Применение коррозионно-стойких материалов позволило создать конденсационные теплообменники также для утилизации теплоты уходящих газов жидкого топлива.
В России биметаллические (сталь-алюминий) теплообменники (калориферы) выпускаются Костромским калориферным заводом, изготовление биметаллических труб (сталь-алюминий) освоено ПО «Туласантехника» и рядом других предприятий. Теплообменные поверхности конденсационных теплообменников имеют высокий коэффициент оребрения и являются компактными [12].
Рис. 3.4 Схема утилизации тепла продуктов сгорания с использованием конденсационного поверхностного теплообменника
1- теплоутилизатор;
2- сетчатый фильтр;
3- распредилительный клапан;
4- каплеуловитель;
5- гидропневматическое обдувочное устройство;
Теплоутилизатор 1 установлен в газоходе котла между экономайзером и дымососом. Уходящие продукты сгорания после экономайзера с температурой 120-Г-150 "С попадают на распределительный клапан 3, который делит их на два потока, основной поток газа (70-^80 %) направляется через сетчатый фильтр 2 в теплоутилизатор, второй (около 20-ьЗО %) - по обводной линии газохода. Сменный сетчатый фильтр устанавливается для защиты тепло- утилизатора от отложений, которые могут образоваться при переходе ко- тельной с мазута (резервного топлива) на природный газ. При работе на мазуте вместо сетчатого фильтра устанавливается шибер.
Процесс охлаждения продуктов сгорания в теплоутилизаторе ниже точки росы сопровождается уменьшением влагосодержания со 115 до 50 г/кг и выпадением конденсата в количестве 0,6-Ю,7 кг/ч на 1 м3 сжигаемого природного газа.
Температура продуктов сгорания после смешения поддерживается на уровне 65-Г-70 "С, что выше точки росы, влагосодержание - 65-7-70 г/кг и относительная влажность 50-7-55 %. Это позволяет при всех режимах работы котла исключить выпадение конденсата в газовом тракте.
Дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплоутилизатором (порядка 21 Па), преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания вследствие снижения их температуры, увеличения объемной массы и конденсации части водяных паров. При работе котельной на мазуте газы полностью направляются по обводному газоходу, минуя теплоутилизатор.
Образующийся конденсат собирается в поддоне и, минуя водоподгото вительную установку, направляется в бак декарбонизованной воды, откуда насосами подается в деаэратор для подпитки теплосети при закрытой системе теплоснабжения. При использовании этого конденсата обеспечивается также экономия реагентов, электроэнергии и воды и, кроме того, сокращаются сбросы продуктов регенерации от натрий-катионитных фильтров в окружающую среду благодаря уменьшению количества регенераций [8,9,13].
3.5 Расчет применения конденсационных экономайзеров (КЭ) для утилизации теплоты дымовых газов на примере РК «АЗИНО»
Экономия топлива, сжигаемого в котельных агрегатах, является актуальной задачей при решении проблемы снижения себестоимости отпускаемой тепловой энергии.
В настоящее время одним из способов повышения эффективности котельных является применение глубокой утилизации теплоты дымовых газов с использованием конденсационных экономайзеров.
В качестве объекта для внедрения конденсационных технологий рассматривается районная котельная «Азино». Место расположения г. Казань.
Установка конденсационных экономайзеров за котлом позволяет решить такие задачи, как глубокое охлаждение уходящих газов, тем самым снизив тепловое загрязнение окружающей среды, а также повысить эффективность использования топлива. Утилизируемую тепловую энергию можно использовать для подогрева сырой воды, подогрева обратной сетевой воды перед входом в водогрейный котел.
В конденсационном экономайзере происходит глубокое охлаждение продуктов сгорания до такой температуры, при которой удается сконденсировать максимально возможную часть водяных паров, содержащихся в уходящих газах и использовать скрытую теплоту конденсации. Кроме того, глубокое охлаждение газов позволяет полнее использовать и их физическую теплоту [1].
Утилизатор устанавливается за дымососом котла ПТВМ-180 через новые газоходы, часть газов (около 25 %) отбирается из газохода котла, проходит через утилизатор, охлаждается и возвращается обратно газоход.
Дымовые газы после утилизатора имеют температуру порядка 50°С и при смешивании с основным потоком нагреваются, и тем самым предотвращается опасность конденсации водяных паров в общем газоходе. Сам утилизатор и часть газохода после него изготавливаются из нержавеющей стали.
Смонтированное оборудование создает дополнительное аэродинамическое сопротивление. Увеличение сопротивления в утилизаторе частично компенсируется уменьшением объема дымовых газов после утилизатора, которое происходит в связи со снижением их температуры, конденсации и отвода части водяных паров. Таким образом, нет необходимости замены действующих дымососов. Сопротивление конденсационного экономайзера по ходу дымовых газов составит 8,1 мбар, а по воде –828 мбар.
Образовавшийся конденсат в корпусе утилизатора представляет собой обессоленную воду. Наличие в конденсате слабоосновной угольной кислоты (связывание CO2 водой) дает pH-3,5. Конденсат удаляется из корпуса утилизатора самотеком в пластиковый бак через штуцер снизу корпуса утилизатора, оборудованный гидрозатвором. Далее из бака через декарбонизатор конденсатным насосом в существующие баки сбора конденсата [7].
Таблица 3.1 Номинальные технические характеристики утилизатора тепла уходящих газов
| Показатель | Значение |
| Нагрузка, % | 75 |
| Теплосодержание максимальное, кВт | 41 800 |
| Расход воды через утилизатор, т/ч | 41 |
| Температура воды на входе в утилизатор, ˚С | 4[1] |
| Расход дымовых газов, кг/ч | 49 860 |
| Утилизатор тепла уходящих газов | |
| Температура газов после утилизатора | 48 |
| Температура воды после утилизатора | 64,9 |
| Мощность утилизатора, кВт | 2861 |
| Расход конденсата, кг/ч | 2354 |
| Сопротивление по дымовым газам, мбар | 8,1 |
| Гидравлическое сопротивление, мбар | 828 |
| Габаритные размеры: длина, ширина, высота, мм | 2000х2200х1570 |
| Вес (без воды), кг | 5500 |
| Объем водяной части экономайзера, л | 850 |
Себестоимость топливной составляющей – 600 руб./Гкал .
Стоимость сырой воды – 15,97 руб./м3
Значение «точки росы» продуктов сгорания зависит от величины избытка воздуха, которое можно определить по графику, представленному на рис. 3.5
Рисунок 3.5 Зависимость «точки росы» продуктов сгорания природного газа от коэффициента избытка воздуха
Количество влаги, конденсирующейся при охлаждении дымовых газов, также зависит от значения коэффициента избытка воздуха и может быть определено по графику, представленному на рис. 3.6
Рисунок 3.6 Зависимость влагосодержания продуктов полного сгорания природного газа от коэффициента избытка воздуха (средневзвешенное значение для газовых месторождений России и стран СНГ)
Количество теплоты, которое утилизируется в конденсационном экономайзере представляет собой сумму физической теплоты дымовых газов и скрытой теплоты конденсации водяных паров.
Количество теплоты:
, Гкал/ч
,
где Gдг – расход дымовых газов, нм3/ч;
сг – усредненная теплоемкость дымовых газов (определяется по таблице 1 в диапазоне температур 50-145°С), кДж/кг·°С;
tдг1 – средняя температура дымовых газов на входе в конденсационный экономайзер, °С;
tдг2 – температура дымовых газов на выходе из конденсационного экономайзера, °С;
Gвп – количество конденсирующихся водяных паров в экономайзере, кг/ч;
rвп – скрытая теплота конденсации водяных паров, кДж/кг;
0,75 – коэффициент полезного действия конденсационного экономайзера;
4,186 – переводной коэффициент из кДж в ккал.
Предполагается использовать конденсационный экономайзер для подогрева подпиточной воды.
При этом температура подпитки принимается на уровне 40 °С, так как температура нагретой воды перед ХВО не должна превышать данный предел. Температура нагрева подпитки в утилизаторе тепла регулируется расходом дымовых газов.Температура нагреваемой воды на выходе из конденсационного экономайзера для января:
48,57°С
где t1в – температура подпиточной воды на входе в конденсационный экономайзер, °С.
Gв – расход подпиточной воды, т/ч;
св – теплоемкость воды, ккал/кг·°С;
Таблица 3.2 Свойства дымовых газов
| t, °C | ρ, кг/м3 | ср, кДж/(кг·К) | λ·102, Вт/(м·К) | а·106, м2/с | µ·106, Па·с | ν·106, м2/с | Pr |
| 0 | 1,295 | 1,042 | 2,28 | 16,9 | 15,8 | 12,2 | 0,72 |
| 100 | 0,950 | 1,068 | 3,13 | 30,8 | 20,4 | 21,54 | 0,69 |
| 200 | 0,748 | 1,097 | 4,01 | 48,9 | 24,5 | 32,8 | 0,67 |
| 300 | 0,617 | 1,122 | 4,84 | 69,9 | 28,2 | 45,81 | 0,65 |
| 400 | 0,525 | 1,151 | 5,7 | 94,3 | 31,7 | 60,38 | 0,64 |
| 500 | 0,457 | 1,185 | 6,56 | 121,1 | 34,8 | 76,3 | 0,63 |
| 600 | 0,405 | 1,214 | 7,42 | 150,9 | 37,9 | 93,61 | 0,62 |
| 700 | 0,363 | 1,239 | 8,27 | 183,8 | 40,7 | 112,1 | 0,61 |
| 800 | 0,33 | 1,264 | 9,15 | 219,7 | 43,4 | 131,8 | 0,6 |
| 900 | 0,301 | 1,29 | 10 | 258 | 45,9 | 152,5 | 0,59 |
| 1000 | 0,275 | 1,306 | 10,9 | 303,4 | 48,4 | 174,3 | 0,58 |
| 1100 | 0,257 | 1,323 | 11,75 | 345,5 | 50,7 | 197,1 | 0,57 |
| 1200 | 0,240 | 1,340 | 12,62 | 392,4 | 53,0 | 221,0 | 0,56 |
Количество теплоты, утилизируемой в экономайзере:
, Гкал/мес.
,
где t - время работы котла в течение месяца, час.
Далее определяется увеличение выработки:
,
.
Аналогично определяется температуры воды на выходе из утилизатора, количество теплоты и увеличение выработки тепловой энергии для остальных месяцев работы котельной. Результаты расчета сведены в табл. 3.5
Таблица 3.3 Результаты расчета количества тепловой энергии, утилизируемой в конденсационном экономайзере
| Период | Температура воды на выходе из утилизатора, ⁰С | Количество теплоты, Гкал | Увеличение выработки, % |
| Октябрь | 50 | 398,66 | 1,91 |
| Ноябрь | 48,41 | 1313,74 | 1,75 |
| Декабрь | 50,81 | 1499,55 | 1,74 |
| Январь | 48,57 | 1437,23 | 1,628 |
| Февраль | 44,34 | 1226,67 | 1,67 |
| Март | 39,8 | 1175,48 | 2,0 |
| Апрель | 40,63 | 908,18 | 1,57 |
.
Экономический эффект от утилизации теплоты уходящих газов:
,
,
где Цтепло – себестоимость выработки тепловой энергии, руб./Гкал.
Количество тепловой энергии, содержащейся в полученном конденсате, образовавшемся при охлаждении части дымовых газов котельной:
Для остальных месяцев расчеты выполняются аналогично.в приложении х технического отчета представлен расчет по остальным месяцам. Результаты вычислений сведены в табл. 4.5.
Таблица 3.4 Результаты расчета тепловой энергии образовавшегося конденсата в утилизаторе
| Период | Количество теплоты, Гкал |
| Октябрь | 27,30 |
| Ноябрь | 90,68 |
| Декабрь | 97,73 |
| Январь | 98,95 |
Продолжение таблицы 3.4
| Февраль | 92,73 |
| Март | 95,45 |
| Апрель | 72,94 |
Годовой эффект полезного использования тепловой энергии конденсата в котельной составит:
,
.
Экономический эффект в денежном выражении за счет использования тепла конденсата:
.
Количество конденсата, образовавшегося при эксплуатации утилизатора:
,
.
Экономический эффект за счет полезного использования конденсата:
,
.
Суммарный экономический эффект за счет внедрения утилизатора тепла:
.
Вывод: Внедрение конденсационного утилизатора теплоты дымовых газов на котельной РК «Азино» позволит снизить затраты на подогрев сырой воды, а также сократить объем подпитки за счет полезного использования конденсата, образовавшегося при глубоком охлаждении части дымовых газов
Глубокое охлаждение уходящих дымовых газов получает все более широкое распространение, что обусловлено энергосбережением и снижением вредных выбросов в атмосферу. Для этой цели используют контактные и контактно-поверхностные теплоутилизаторы-экономайзеры, контактные теплообменники с активной насадкой (КТАНы) и конденсационные поверхностные теплообменники.
По простоте конструкции и изготовления преимущество имеют конденсационные поверхностные теплообменники. По интенсивности теплообмена, компактности, аэродинамическому сопротивлению оба типа теплообменников (поверхностные и контактные) примерно равноценны. С точки зрения экологической контактные экономайзеры имеют преимущества перед конденсационными поверхностными теплообменниками.
По качеству нагретой воды преимущество за поверхностными теплообменниками и КТАНами, поскольку нагретая вода и газы в них не контактируют друг с другом. В связи с этим они могут быть применены для нагрева воды в низкотемпературных системах отопления (t0 =30-40 °С).
Охлаждение дымовых газов в конденсационных теплоутилизаторах ниже точки росы резко снижает их влагосодержание, но не исключает возможности конденсации остаточных водяных паров в газоходах и дымовой трубе, особенно в холодное время года. Имеются два приемлемых пути обеспечения надежной работы газового тракта после конденсационного теплоутилизатора: покрытие внутренних поверхностей газоходов и дымовой трубы защитной гидроизоляцией; предотвращение конденсатообразования за счет подогрева продуктов сгорания после теплоутилизатора.
Дата: 2019-12-10, просмотров: 844.
