Методы утилизации тепла. Дымовые газы, покидающие рабочее пространство печей, имеют весьма высокую температуру и поэтому уносят с собой значительное количество тепла. В мартеновских печах, например, из рабочего пространства с дымовыми газами уносится около 80 % всего тепла поданного в рабочее пространство, в нагревательных печах около 60 %. Из рабочего пространства печей дымовые газы уносят с собой тем больше тепла, чем выше их температура и чем ниже коэффициент использования тепла в печи. В связи с этим целесообразно обеспечивать утилизацию тепла отходящих дымовых газов, которая может быть выполнена принципиально двумя методами: с возвратом части тепла, отобранного у дымовых газов, обратно в печь и без возврата этого тепла в печь. Для осуществления первого метода необходимо тепло, отобранное у дыма, передать идущим в печь газу и воздуху (или только воздуху)-Для достижения этой цели широко используют теплообменники рекуперативного и регенеративного типов, применение которых позволяет повысить к. п. д. печного агрегата, увеличу температуру горения и сэкономить топливо. При втором методе утилизации тепло отходящих дымовых газов используется в теплосиловых котельных и турбинных установках, чем достигается существенная экономия топлива.
В отдельных случаях оба описанных метода утилизации тепла отходящих дымовых газов используются одновременна Это делается тогда, когда температура дымовых газов поеле теплообменников регенеративного или рекуперативного типа остается достаточно высокой и целесообразна дальнейшая утилизация тепла в теплосиловых установках. Так, например, в мартенсвских печах температура дымовых газов после регенераторов вставляет 750-800 °С, поэтому их повторно используют в котлах-утилизаторах.
Рассмотрим подробнее вопрос утилизации тепла отходящих дымовых газов с возвратом части их тепла в печь.
Следует прежде всего отметить, что единица тепла, отобранная у дыма и вносимая в печь воздухом или газом (единица физического тепла), оказывается значительно ценнее единиц тепла, полученной в печи в результате сгорания топлива (единицы химического тепла), так как тепло подогретого воздуха (газа) не влечет за собой потерь тепла с дымовыми газами. Ценность еди- ницы физического тепла тем больше, чем ниже коэффициент ис- пользования топлива и чем выше температура отходящих дымовых газов.
Для нормальной работы печи следует каждый час в рабочее пространство подавать необходимое количество тепла. В Э то количество тепла входит не только тепло топлива Q х, но и тепло подогретого воздуха или газа Q Ф, т. е. Q Σ = Q х + Q ф
Ясно, что при Q Σ = сопst увеличение Q ф позволит Уменьшить Q х. Иными словами, утилизация тепла отходящих дымовых газов позволяет достичь экономии топлива, которая зависит от степени утилизации тепла дымовых газов
R = Н в / Н д
где Н в и Н д - соответственно энтальпия подогретого воздуха и отходящих из рабочего пространства дымовых газов, кВт или
кДж/период.
Степень утилизации тепла может быть также названа КРД рекуператора (регенератора), %
кпд р = (Н в / Н д) 100%.
Зная величину степени утилизации тепла, можно Определить экономию топлива по следующему выражению:
где Н " д и Н д - соответственно энтальпия дымовых газов при температуре горения и покидающих печь.
Снижение расхода топлива в результате использования тепла отходящих дымовых газов обычно дает значительный экономический эффект и является одним из путей снижения затрат на нагрев металла в промышленных печах.
Кроме экономии топлива, применение подогрева воздуха (газа) сопровождается увеличением калориметрической температуры горения Т к, что может являться основной целью рекуперации при отоплении печей топливом с низкой теплотой сгорания.
Повышение Q Ф при приводит к увеличению температуры горения. Если необходимо обеспечить определенную величину Т к, то повышение температуры подогрева воздуха (газа), приводит к уменьшению величины , т. е. к снижению доли в топливной смеси газа с высокой теплотой сгорания.
Поскольку утилизация тепла позволяет значительно экономить топливо, целесообразно стремиться кмаксимально возможной, экономически оправданной степени утилизации. Однако необходимо сразу заметить, что утилизация не может быть полной, т. е. всегда R < 1. Это объясняется тем, что увеличение поверхности нагрева рационально только до определенных пределов, после которых оно уже приводит кочень незначительному выигрышу в экономии тепла.
Характеристика теплообменных устройств. Как уже указывалось, утилизацию тепла отходящих дымовых газов с возвратом их в печь можно осуществить в теплообменных устройствах регенеративного и рекуперативного типов. Регенеративные теплообменники работают при нестационарном тепловом состоянии, рекуперативные - при стационарном.
Теплообменники регенеративного типа имеют следующие основные недостатки:
1) не могут обеспечить постоянную температуру подогрева воздуха или газа, которая падает по мере остывания кирпичей насадки, что ограничивает возможность применения автоматического регулирования печи;
2) прекращение питания печи теплом при перекидке клапанов;
3) при подогреве топлива имеет место вынос газа через дымовую трубу, величина которого достигает 5-6 % полного расхода;
4) весьма большие объем и масса регенераторов;
5) неудобно расположены - располагают керамические регенераторы всегда под печами. Исключение составляют только кауперы, помещаемые около доменных печей.
Однако, несмотря на очень серьезные недостатки, регенеративные теплообменники иногда еще применяют на высокотемпературных печах (мартеновских и доменных печах, в нагревательных колодцах). Это объясняется тем, что регенераторы могут работать при весьма высокой температуре дымовых газов (1500-1600 °С). При такой температуре рекуператоры работать устойчиво пока не могут.
Рекуперативный принцип утилизации тепла отходящих дымовых газов более прогрессивен и совершенен. Рекуператоры обеспечивают постоянную температуру подогрева воздуха или газа и не требуют никаких перекидных устройств - это обеспечивает более ровный ход печи и большую возможность для автоматизации и контроля ее тепловой работы. В рекуператорах отсутствует вынос газа в дымовую трубу, они меньшего объема и массы. Однако рекуператорам свойственны и некоторые недостатки, основными из которых являются низкая огнестойкость (металлических рекуператоров) и низкая газоплотность (керамических рекуператоров).
Общая характеристика теплообмена в рекуператорах. Рассмотрим общую характеристику теплообмена в рекуператоре. Рекуператор представляет собой теплообменный аппарат, работающий в условиях стационарного теплового состояния, когда тепло постоянно передается от остывающих дымовых газов к нагревающемуся воздуху (газу) через разделительную стенку.
Полное количество тепла, переданного в рекуператоре, определяют по уравнению
Q = К Δt ср F ,
где К - суммарный коэффициент теплопередачи от дыма к воздуху (газу), характеризующий общий уровень теплопередачи в рекуператоре, Вт/(м 2 -К);
Δt ср - средняя (по всей поверхности нагрева) разность температур между дымовыми газами и воздухом (газом), К;
F - поверхность нагрева, через которую происходит передача тепла от дымовых газов к воздуху (газу), м 2 .
Теплопередача в рекуператорахвключает в себя три основные ступени передачи тепла: а) от дымовых газов к стенкам рекуперативных элементов; б) через разделительную стенку; в) от стенки к нагреваемому воздуху или газу.
На дымовой стороне рекуператора тепло от дымовых газов к стенке передается не только конвекцией, но и излучением. Следовательно, локальный коэффициент теплоотдачи на дымовой стороне равен
где - коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке
конвекцией, Вт/(м 2 ·°С);
Коэффициент теплоотдачи от дымовых газов к стенке
путем излучения, Вт/(м 2 ·°С).
Передача тепла через разделительную стенку зависит от теплового сопротивления стенки и состояния ее поверхности.
На воздушной стороне рекуператора при нагреве воздуха тепло от стенки к воздуху передается только конвекцией, при нагреве газа - конвекцией и излучением. Таким образом, при нагреве воздуха теплоотдача определяется локальным коэффициентом теплоотдачи конвекцией ; если нагревается газ, то коэффициент теплоотдачи
Все отмеченные локальные коэффициенты теплоотдачи объединены в суммарном коэффициенте теплопередачи
, Вт/(м 2 ·°С).
В трубчатых рекуператорах суммарный коэффициент теплопередачи следует определять для цилиндрической стенки (линейный коэффициент теплопередачи)
,
Вт/(м·°С)
Коэффициент К называется коэффициентом теплопередачи трубы. Если же необходимо отнести количество тепла к площади внутренней или наружной поверхности трубы, то суммарные коэффициенты теплопередачи можно определить следующим образом:
,
где a 1 - коэффициент теплоотдачи на внутренней стороне
трубы, Вт/(м 2 ·°С);
a 2 - то же, на наружной стороне трубы, Вт/(м 2 ·°С);
r 1 и r 2 - соответственно радиусы внутренней и наружной
поверхностей трубы, м. В металлических рекуператорах можно пренебречь величиной теплового сопротивления стенки , и тогда суммарный коэффициент теплопередачи можно записать в следующем виде:
Вт/(м 2 ·°С)
Все локальные коэффициенты теплоотдачи, необходимые для определения величины К, можно получить на основании законов теплоотдачи конвекцией и излучением.
Поскольку между воздушной и дымовой сторонами рекуператора всегда есть перепад давлений, наличие неплотностей в рекуперативной насадке приводит к утечке воздуха, достигающей иногда 40-50%. Прососы резко снижают эффективность рекуперативных установок; чем больше прососанного воздуха, тем меньше доля тепла, полезно использованного в керамическом рекуператоре (см. ниже):
Утечка, % 0 25 60
Конечная температура дымовых газов,
°С 660 615 570
Температура подогрева воздуха, °С 895 820 770
КПД рекуператора (без учета по-
терь), % 100 84 73,5
Утечка воздуха влияет на величину локальных коэффициентов теплоотдачи, причем воздух, попавший в дымовые газы, не только
Рис. 4. Схемы движения газовых сред в теплообменниках рекуперативного типа
снижает их температуру, но и уменьшает процентное содержание С0 2 и Н 2 0, вследствие чего ухудшается излучательная способность газов.
Как при абсолютно газоплотном рекуператоре, так и при утечке локальные коэффициенты теплоотдачи меняются по поверхности нагрева, поэтому при расчете рекуператоров определяют отдельно величины локальных коэффициентов теплоотдачи для верха и низа и затем уже по усредненному значению находят суммарный коэффициент теплопередачи.
ЛИТЕРАТУРА
- Б.А.Арутюнов, В.И. Миткалинный, С.Б. Старк. Металлургическая теплотехника, т.1, М, Металлургия, 1974, с.672
- В.А.Кривандин и др. Металлургическая теплотехника, М, Металлургия, 1986, с.591
- В.А.Кривандин, Б.Л. Марков. Металлургические печи, М, Металлургия, 1977, с.463
- В.А.Кривандин, А.В.Егоров. Тепловая работа и конструкции печей черной металлургии, М, Металлургия, 1989, с.463
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.
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.
В. В. Гетман, Н. В. Лежнева МЕТОДЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ ОТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ УСТАНОВОК
Ключевые слова: газотурбинные установки, парогазовые установки
В работе рассмотрены различные методы утилизации теплоты уходящих газов от энергетических установок с целью повышения их эффективности, экономии органического топлива и наращивания энергетических мощностей.
Keywords: gas-turbine installations, steam-gas installations
In work various methods of utilization of warmth of leaving gases from power installations for the purpose of increase of their efficiency, economy of organic fuel and accumulation of power capacities are considered.
С началом экономических и политических реформ в России, в первую очередь необходимо произвести ряд принципиальных изменений в электроэнергетике страны. Новая энергетическая политика должна решить ряд задач, в числе которых освоение современных высокоэффективных технологий производства электрической и тепловой энергии.
Одной из таких задач является повышение эффективности энергетических установок с целью экономии органического топлива и наращивания энергетических мощностей. Наиболее
перспективными в этом отношении являются газотурбинные установки, с уходящими газами которых выбрасывается до 20% тепла .
Существуют несколько путей повышения к. п. д. газотурбинных двигателей , в числе которых:
Повышение температуры газа перед турбиной для ГТУ простого термодинамического цикла,
Применение регенерации тепла,
Использование тепла уходящих газов в бинарных циклах,
Создание ГТУ по сложной термодинамической схеме и т. д.
Наиболее перспективным направлением считается совместное использование газотурбинных и паротурбинных установок (ГТУ и ПТУ) с целью повышения их экономических и экологических характеристик.
Газотурбинные и созданные с их использованием комбинированные установки при технически достижимых в настоящее время параметрах обеспечивают существенное повышение эффективности производства тепловой и электроэнергии.
Широкое применение бинарных ПГУ, а также различных комбинированных схем при техническом перевооружении ТЭС позволит экономить до 20% топлива по сравнению с традиционными паротурбинными блоками.
По оценкам специалистов экономичность комбинированного парогазового цикла возрастает при повышении начальной температуры газов перед ГТУ и увеличении доли газотурбинной мощности. Немаловажное значение
имеет также то обстоятельство, что помимо выигрыша в экономичности такие системы требуют значительно меньших капитальных затрат, их удельная стоимость в 1.5 - 2 раза меньше, чем стоимость газо-мазутных паротурбинных блоков и ПГУ с минимальной газотурбинной мощностью .
По данным можно выделить три основных направления использования ГТУ и ПГУ в энергетике.
Первое, широко используемое в промышленно развитых странах, - применение ПГУ на крупных конденсационных ТЭС, работающих на газе. В этом случае наиболее эффективно использовать ПГУ утилизационного типа с большой долей газотурбинной мощности (рис. 1).
Применение ПГУ позволяет повысить на ТЭС эффективность сжигания топлива на ~ 11-15 % (ПГУ со сбросом газов в котёл), на ~ 25-30 % (бинарные ПГУ).
До недавнего времени широких работ по внедрению ПГУ в России не проводилось. Тем не менее, единичные образцы таких установок достаточно давно и успешно используются, например ПГУ с высоконапорным парогенератором (ВПГ) типа ВПГ-50 головного энергоблока ПГУ-120 и 3-х модернизированных энергоблоков с ВПГ-120 на филиале «ТЭЦ-2» ОАО «ТГК-1» ; ПГУ-200 (150) с ВПГ-450 на филиале «Невинномысская ГРЭС». На Краснодарской ГРЭС установлено три парогазовых энергоблока мощностью по 450 МВт. В состав энергоблока входят две газовые турбины мощностью по 150 МВт, два котла-утилизатора и паровая турбина, мощностью 170 МВт, к. п. д. такой установки составляет 52.5% . Дальнейшее
повышение к. п. д. ПГУ утилизационного типа возможно путем усовершенствования
газотурбинной установки и усложнения схемы парового процесса.
Рис. 1 - Схема ПГУ с котлом-утилизатором
Парогазовая установка с котлом-
утилизатором (рис. 1) включает в себя: 1-
компрессор; 2 - камеру сгорания; 3 - газовую
турбину; 4 - электрогенератор; 5 - котел-
утилизатор; 6 - паровую турбину; 7 - конденсатор; 8
Насос и 9 - деаэратор. В котле-утилизаторе топливо не дожигается, а вырабатываемый перегретый пар используется в паротурбинной установке.
Второе направление - использование газовых турбин для создания ПГУ - ТЭЦ и ГТУ -ТЭЦ. За последние годы было предложено множество вариантов технологических схем ПГУ -ТЭЦ. На ТЭЦ, работающих на газе целесообразно использовать теплофикационные ПГУ
утилизационного типа. Характерным примером
крупной ПГУ - ТЭЦ такого типа является Северо -Западная ТЭЦ в г. Санкт - Петербурге. Один блок ПГУ на этой ТЭЦ включает: две газовые турбины, мощностью по 150 МВт, два котла - утилизатора, паровую турбину. Основные показатели блока: электрическая мощность - 450 МВт, тепловая мощность - 407 МВт, удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии - 154.5 г у. т./(кВт. ч), удельный расход условного топлива на отпуск тепла - 40.6 кг у. т./ГДж, к. п. д. ТЭЦ по отпуску электрической энергии - 79.6%, тепловой энергии - 84.1%.
Третье направление - использование газовых турбин для создания ПГУ - ТЭЦ и ГТУ -ТЭЦ малой и средней мощности на базе котельных. ПГУ - ТЭЦ и ГТУ - ТЭЦ наилучших вариантов, создаваемые на базе котельных, обеспечивают к. п. д. по отпуску электрической энергии в теплофикационном режиме на уровне 76 - 79%.
Типовая парогазовая установка состоит из двух ГТУ, каждая со своим котлом-утилизатором, подающим вырабатываемый пар в одну общую паровую турбину.
Установка такого типа была разработана для Щекинской ГРЭС . ПГУ-490 была предназначена для выработки электрической энергии в базовом и на частичных режимах работы электростанции с отпуском тепла стороннему потребителю до 90 МВт при зимнем температурном графике. Принципиальная схема блока ПГУ-490 вынужденно ориентировалась на недостаток места при размещении котла-утилизатора и
паротурбинной установки в корпусах электростанции, что создавало определенные трудности для достижения оптимальных режимов комбинированной выработки тепла и электроэнергии.
При отсутствии ограничений по размещению установки, а также при использовании усовершенствованной ГТУ можно существенно повысить экономичность блока. В качестве такой усовершенствованной ПГУ в предлагается одновальная ПГУ-320 мощностью 300 МВт. Комплектной ГТУ для ПГУ-320 является одновальная ГТЭ-200, создание которой предполагается осуществить переходом на
двухопорный ротор, модернизацией системы охлаждения и других узлов ГТУ с целью повышения начальной температуры газа. Кроме ГТЭ-200 моноблок ПГУ-320 содержит ПТУ К-120-13 с трехцилиндровой турбиной, конденсатный насос, конденсатор пара уплотнений, подогреватель, питаемый греющим паром, подаваемым из отбора перед последней ступенью ПТ, а также котел-утилизатор двух давлений, содержащий восемь участков теплообмена, включая промежуточный перегреватель пара.
Для оценки эффективности установки был проведен термодинамический расчет, в результате которого был сделан вывод о том, что при работе в конденсационном режиме ПГУ-490 ЩГРЭС ее электрический к. п. д. может быть повышен на 2.5% и доведен до 50.1%.
Исследования теплофикационных
парогазовых установок показали, что экономические показатели ПГУ существенно зависят от структуры их тепловой схемы, выбор которой осуществляется в пользу установки, обеспечивающей минимальную температуру уходящих газов. Это объясняется тем, что уходящие газы являются основным источником потерь энергии, и для увеличения эффективности схемы их температуру необходимо уменьшать.
Модель одноконтурной теплофикационной ПГУ, представленная на рис. 2, включает в себя котел - утилизатор барабанного типа с естественной циркуляцией среды в испарительном контуре . По ходу газов в котле снизу вверх последовательно расположены поверхности нагрева:
пароперегреватель ПП, испаритель И, экономайзер Э и газовый перегреватель сетевой воды ГСП.
Рис. 2 - Тепловая схема одноконтурной ПГУ
Расчеты системы показали, что при изменении параметров свежего пара происходит перераспределение мощности, вырабатываемой ПГУ, между тепловой и электрической нагрузками. При росте параметров пара увеличивается выработка электрической и уменьшается выработка тепловой энергии. Это объясняется тем, что при увеличении параметров свежего пара уменьшается его выработка. При этом из-за снижения расхода пара при малом изменении его параметров в отборах уменьшается тепловая нагрузка подогревателя сетевой воды.
Двухконтурная ПГУ, также как и одноконтурная, состоит из двух газовых турбин, двух котлов-утилизаторов и одной паровой турбины (рис.3). Подогрев сетевой воды осуществляется в двух подогревателях ПГС и (при необходимости) в пиковом сетевом подогревателе.
По ходу газов в котле-утилизаторе
последовательно расположены следующие
поверхности нагрева: пароперегреватель высокого давления ППВД, испаритель высокого давления ИВД, экономайзер высокого давления ЭВД, пароперегреватель низкого давления ППНД,
испаритель низкого давления ИНД, газовый подогреватель низкого давления ГПНД, газовый подогреватель сетевой воды ГСП.
Рис. 3 - Принципиальная тепловая схема
двухконтурной ПГУ
Рис. 4 - Схема утилизации теплоты уходящих газов ГТУ
Кроме котла-утилизатора тепловая схема включает в себя паровую турбину, имеющую три цилиндра, два подогревателя сетевой воды ПСГ1 и ПСГ2, деаэратор Д и питательные насосы ПЭН. Отработавший пар турбины направлялся в ПСГ1. В подогреватель ПСГ2 подается пар из отбора турбины. Вся сетевая вода проходит через ПСГ1, затем часть воды направляется в ПСГ2, а другая часть после первой ступени подогрева - в ГСП, расположенный в конце газового тракта котла-утилизатора. Конденсат греющего пара ПСГ2 сливается в ПСГ1, а затем поступает в ГПНД и далее в деаэратор. Питательная вода после деаэратора частично поступает в экономайзер контура высокого давления, а частично - в барабан Б контура низкого давления. Пар из перегревателя контура низкого давления смешивается с основным потоком пара после цилиндра высокого давления (ЦВД) турбины.
Как показал сравнительный анализ, при использовании газа в качестве основного топлива применение утилизационных схем целесообразно, если соотношение тепловой и электрической энергии составляет 0.5 - 1.0, при соотношениях 1.5 и более, предпочтение отдается ПГУ по «сбросной» схеме.
Кроме подстройки паротурбинного цикла к циклу ГТУ, утилизация теплоты уходящих газов
ГТУ может осуществляться подачей в камеру сгорания ГТУ пара, вырабатываемого котлом-утилизатором, а также путем реализации регенеративного цикла .
Реализация регенеративного цикла (рис. 4) обеспечивает существенное повышение к. п. д. установки, в 1.33 раза, в том случае, если при создании ГТУ степень повышения давления выбрана в соответствии с намечаемой степенью регенерации. Такая схема включает в себя К -компрессор; Р - регенератор; КС - камера сгорания; ТК - турбина компрессора; СТ - силовая турбина; ЦК - центробежный компрессор. Если ГТУ выполнена без регенерации, а степень повышения давления л близка к оптимальному значению, то оснащение такой ГТУ регенератором не приводит к повышению ее к. п. д.
К. п. д. установки, осуществляющей подачу пара в камеру сгорания, повышается в 1.18 раз по сравнению с ГТУ, что позволяет снизить расход топливного газа, потребляемого газотурбинной установкой.
Сравнительный анализ показал, что наибольшая экономия топлива возможна при осуществлении регенеративного цикла ГТУ с высокой степенью регенерации, относительно невысоким значением степени повышения давления в компрессоре л = 3 и с небольшими потерями продуктов сгорания. Однако в большинстве отечественных ТКА в качестве привода использованы авиационные и судовые газотурбинные двигатели с высокой степенью повышения давления, и в этом случае утилизация теплоты уходящих газов эффективнее в паротурбинном блоке. Установка с подачей пара в камеру сгорания конструктивно наиболее проста, но менее эффективна.
Одним из способов достижения экономии газа и решения экологических проблем является применение на КС парогазовых установок. В исследовательских разработках рассматриваются два альтернативных варианта использования пара, полученного при утилизации теплоты выхлопных газов ГТУ: ПГУ с приводом от паровой турбины нагнетателя природного газа и от паровой турбины электрогенератора. Принципиальное различие этих вариантов заключается в том, что в случае ПГУ с нагнетателем не только утилизируется теплота выхлопных газов ГПА, но и один ГПА заменяется на паротурбинный перекачивающий агрегат, а при ПГУ с электрогенератором число ГПА сохраняется, а за счет утилизируемой теплоты вырабатывается электроэнергия специальным паротурбинным агрегатом . Выполненный анализ показал, что ПГУ с приводом нагнетателя природного газа обеспечивали лучшие технико-экономические показатели.
В случае создания на базе КС парогазовой установки с котлом утилизатором , ГТУ используется для привода нагнетателя, а паросиловая установка (ПСУ) - для выработки электроэнергии, при этом температура отходящих газов за котлом - утилизатором составляет 1400С.
С целью повышения эффективности использования органического топлива в децентрализованных системах теплоснабжения возможна реконструкция отопительных котельных с размещением в них газотурбинных установок (ГТУ) небольшой мощности и утилизацией продуктов сгорания в топках существующих котлов . При этом электрическая мощность ГТУ зависит от режимов работы по тепловому или электрическому графикам нагрузок, а также от экономических факторов.
Оценить эффективность реконструкции котельной можно при сравнении двух вариантов : 1 - исходный (существующая котельная), 2 -альтернативный, с использованием ГТУ. Наибольший эффект был получен при электрической мощности ГТУ, равной
максимальной нагрузке района потребления.
Сравнительный анализ ГТУ с КУ, вырабатывающим пар в количестве 0.144 кг/кг с. г., конденсационным ТУ и ГТУ без КУ и с ТУ сухого теплообмена показал следующее: полезная
электрическая мощность - 1.29, расход природного газа - 1.27, отпуск тепла - 1.29 (соответственно 12650 и 9780 кДж/м3 природного газа). Таким образом, относительный прирост мощности ГТУ при вводе пара от КУ составил 29%, а расход дополнительного природного газа - 27%.
Согласно данным эксплуатационных испытаний температура уходящих газов в водогрейных котлах составляет 180 - 2300С, что создает благоприятные условия для утилизации теплоты газов с помощью конденсационных теплоутилизаторов (ТУ) . В ТУ, которые
используются для предварительного подогрева сетевой воды перед водогрейными котлами , осуществляется теплообмен с конденсацией водяных паров, содержащихся в уходящих газах, а нагрев воды собственно в котле происходит уже в режиме “сухого” теплообмена.
По данным наряду с экономией топлива использование ТУ обеспечивает также экономию электроэнергии. Объясняется это тем, что при вводе в котел дополнительного потока циркуляционной воды для сохранения расчетного расхода через котел необходимо часть обратной воды теплосети в количестве, равном рециркуляционному расходу, перепускать из обратной трубы в подающую.
При комплектовании электростанций из отдельных энергоблоков с газотурбинным приводом
электрогенераторов существует несколько вариантов утилизации теплоты выхлопных газов, например, с помощью утилизационного
теплообменника (УТО) для нагрева воды, или с использованием котла-утилизатора и
паротурбогенератора для увеличения выработки электроэнергии . Анализ работы станции с учетом утилизации теплоты с помощью УТО показал существенное увеличение коэффициента использования теплоты, в некоторых случаях в 2 раза и более, а экспериментальные исследования энергоблока ЭМ-25/11 с двигателем НК-37 позволили сделать следующий вывод. В зависимости от конкретных условий годовой отпуск утилизируемой теплоты может колебаться в пределах от 210 до 480 тыс. ГДж, а реальная экономия газа составила от 7 до 17 тыс. м3.
Литература
1. В.М. Масленников, Теплоэнергетика, 3, 39-41 (2000).
2. В.И. Романов, В.А. Кривуца, Теплоэнергетика, 4, 27-30 (1996).
3. Л.В. Арсеньев, В.Г. Тырышкин, Комбинированные установки с газовыми турбинами. Л.: Машиностроение, 1982, 407 с.
4. В.И. Длугосельский, А.С. Земцов, Теплоэнергетика, 12, 3-7 (2000).
5. Б.М. Трояновский, А.Д. Трухний, В.Г. Грибин, Теплоэнергетика, 8, 9-13 (1998).
6. А. Д. Цой, Промышленная энергетика, 4, 50-52 (2000).
7. А.Д. Цой, А.В. Клевцов, А.В. Корягин, Промышленная энергетика, 12, 25-32 (1997).
8. В.И. Евено, Теплоэнергетика, 12, 48-50 (1998).
9. Н.И. Серебрянников, Э.И. Тапелев, А.К. Маханьков, Энергосбережение и водоподготовка, 2, 3-11 (1998).
10. Г.Д. Баринберг, В.И. Длугосельский, Теплоэнергетика, 1, 16-20 (1998)
11. А.П. Берсенев, Теплоэнергетика, 5, 51-53 (1998).
12. Е.Н. Бухаркин, Промышленная энергетика, 7, 34-37 (1998).
13. В.И. Доброхотов, Теплоэнергетика, 1, 2-8 (2000).
14. А.С. Попов, Е.Е. Новгородский, Б.А. Пермяков, Промышленная энергетика, 1, 34-35 (1997).
15. И.В. Белоусенко, Промышленная энергетика, 5, 53-55 (2000).
16. В.В. Гетман, Н.В. Лежнева, Вестник Казан. технол. Ун-та, 18, 174-179 (2011).
17. Н.В. Лежнева, В.И. Елизаров, В.В. Гетман, Вестник Казан. технол. Ун-та, 17, 162-167 (2012).
© В. В. Гетман - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизации технологических процессов и производств ФГБОУ ВПО «КНИТУ», 1ега151@уаМех; Н. В. Лежнева - канд. техн. наук, доц. каф. автоматизации технологических процессов и производств ФГБОУ ВПО «КНИТУ», [email protected].
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» .
