Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Энергосбережение в теплогенерирующих установках

Голосов: 3

Рассматриваются вопросы энергосбережения в теплогенерирующих установках за счет глубокого охлаждения уходящих газов в конденсационных теплоутилизаторах - экономайзерах. Представлены конструкции теплообменных аппаратов, результаты экспериментальных исследований, математические модели тепло- и массообменных процессов, методики расчетов теплообменных аппаратов, работающих в условиях конденсации водяных паров из продуктов сгорания, новые тепловые схемы котельных установок повышенной экономичности. Монография предназначена для инженерно-технических работников, занимающихся проблемой использования тепла уходящих продуктов сгорания природного газа. Будет полезна преподавателям, аспирантам и студентам теплофизических специальностей вузов.

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    лее 2^-3 м/с, при больших скоростях наблюдается повышенный унос воды и
нарушение гидродинамического режима контактной камеры.
     Для      снятия     ограничений     по     качеству      нагреваемой
                                                                     вод
ы
теплоутилизационные установки с «пассивной» насадкой применяют совме
стно с промежуточным теплообменником. Установка промежуточного теп
лообменника к теплоутилизатору исключает прямой контакт газов и нагре
ваемой для целей теплоснабжения воды. Промежуточный теплообменник
может быть встроен в корпус контактного теплоутилизатора или монтиро
ваться отдельно в зависимости от мощности котла и теплопроизводительно-
сти утилизатора [2, 35].
     Институтом «Латгипропром» совместно с Рижским политехническим
институтом разработан контактный теплообменник с активной насадкой
(КТАН), предназначенный для утилизации теплоты дымовых газов и нагрева
воды в температурном диапазоне 5-Н50 °С [12]. КТАН является аппаратом ре-
куперативно-смесительного типа, состоит из корпуса, изготовляемого из лис
товой стали, системы орошения активной насадки с циркулирующим

в
них теплоносителем и сепарационного устройства. Омываемая одновременно
движущимися сверху-вниз потоками газов и орошающей водой поверхность
пучка гладких труб, внутри которых протекает нагреваемый теплоноситель,
была названа активной насадкой по сравнению с традиционными насадками,
например, из колец Рашига. Поток орошающей воды используется для ин
тенсификации передачи теплоты от газов чистому потоку воды, протекаю
щему внутри трубок.
    Главным недостатком КТАН является наличие верхней «вредной» зоны
установки, где холодная вода, орошающая змеевик, внутри которого течет
нагреваемая вода с температурой, близкой к максимальной, не нагревает, а
наоборот охлаждает ее.
    Существенным недостатком контактных и контактно-поверхностных
экономайзеров (в том числе и КТАНов), в которых в качестве теплоносителя
используется вода, является сравнительно низкая температура ее нагрева,
равная температуре мокрого термометра, которая составляет (при использо-
вании теплоты уходящих газов котлов) 5(Н60 °С. Нагреть воду до более вы-
сокой температуры можно, если применить в качестве промежуточного теп-
лоносителя водный раствор бромистого лития или хлористого кальция,
имеющих более высокую температуру кипения, точку росы и температуру
мокрого термометра [6].
    В настоящее время на ряде предприятий установлены и работают КТАН-
утилизаторы (Рижский фарфоровый завод, рижская фабрика «Космос»,
вильнюсская бумажная фабрика «Новые Верки», НПО «Техуглерод»). Опыт


эксплуатации и результаты испытаний КТАН подтвердили их высокую
эффективность, их применение в газифицированных котельных позволяет


 снизить расход газа на 10-И 2 %. В КТАНе исключается контакт нагреваемой
 воды с газами. Расчетные параметры КТАНов-утилизаторов и их техниче-
 ские характеристики представлены в [6, табл. 8.14, 8.15]. Анализ работы
 КТАНов-утилизаторов и их сравнение с традиционными теплоутилизаторами
 контактного типа рассмотрены в работах [3, 11,31,32].
     Глубокое охлаждение уходящих дымовых газов с целью экономии топлива
получило достаточно широкое распространение за рубежом. По данным [2],
например, в ФРГ предложена конструкция контактного утилизатора для
котлов, работающих на твердом топливе, который одновременно служит и
пылезолоуловителем. Нагреваемая в нем вода служит в качестве теплоно-
сителя для водо-водяного трубчатого подогревателя, подогревающего воду
для системы горячего водоснабжения.
     Известны некоторые запатентованные в США конструкции и схемы
контактных экономайзеров для нагрева дымовыми газами воды и других
жидкостей, служащих промежуточными теплоносителями.
     Французская фирма «Теплоэнергетическое и котельное оборудование»
разработала в 1970 г. контактный экономайзер — «рекуператор ИККО»
(ICCO), схема которого представлена на [2, рис. 11.8] - контактная схема
экономайзера ИККО форсуночно-каскадного противоточного типа. Нагре-
ваемая вода подается через форсунки, а затем перетекает с полки на полку,
контактируя с горячими дымовыми газами, подлежащими охлаждению. Высота
экономайзера около 2 м. Франция экспортирует контактно-поверхностные
экономайзеры ИККО в Великобританию для установки на газомазутных котлах,
причем при переводе их на жидкое топливо экономайзеры отключаются.
Экономайзеры типа ИККО производятся также в ФРГ.
     В США работы по контактным и контактно-поверхностным экономай-
зерам получили распространение в восьмидесятых годах двадцатого века.
Принципиальная схема контактно-поверхностного экономайзера, разрабо-
танного в США, не отличается от схемы ИККО. Сопоставляя различные схемы
контактных теплоутилизаторов, Д. Томпсон и Б. Голдстик [38] отдают
предпочтение теплообменникам насадочного типа.
     В Бельгии применяют контактные экономайзеры, устанавливаемые за
газовыми котлами и позволяющие экономить 15 % природного газа. Фирма
«Газ де Франс» разработала комбинированную установку, включающую кон-
тактный экономайзер и контактный воздухоподогреватель, которые с 1982 г.
выпускаются под маркой ИННОРЕКС. Водогрейная котельная с контактными
теплообменниками может работать с более высокими температурами обратной
воды (до 70 °С вместо обычной 50 °С ). Это обусловлено повышением точки
росы и температуры мокрого термометра из-за увеличения влагосо-держания
газов (точка росы достигает 68 °С) [39].


      Наибольшее распространение контактные экономайзеры получили в га-
 зифицированных котельных [40, 41].
      Для глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы ранее
использовались теплообменники контактного типа (насадочные, пенные,
барботажные, форсуночные и тарельчатые). Последние 10-^-15 лет внедряются и
получают распространение конденсационные поверхностные экономайзеры,
позволяющие также охлаждать уходящие дымовые газы ниже температуры
точки росы. Конденсационные котлы и экономайзеры изготовляют из разных
материалов. Общим для них является высокая коррозийная 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 и для
утилизации теплоты уходящих газов жидкого топлива.
      В России биметаллические (сталь—алюминий) теплообменники (калори-
феры) выпускаются Костромским калориферным заводом, изготовление би-
металлических труб (сталь—алюминий) освоено ПО «Туласантехника» и рядом
других предприятий. Теплообменные поверхности конденсационных те-
плообменников имеют высокий коэффициент оребрения и являются ком-
пактными.
      В настоящее время газовые конденсационные поверхностные отопи-
тельные котлы и экономайзеры весьма широко распространены в Голландии,
Франции, Германии, Швейцарии, Великобритании, США, Канаде, Италии.
Выпуском их занято большее число фирм Германии, Швейцарии, Голландии и
США [42, 43, 44, 45, 46].
     В США начаты освоение и выпуск поверхностных конденсационных
экономайзеров для паровых котлов. В котельной фирмы «Тимкен» испытан
поверхностный экономайзер, установленный за котлом паропроизводитель-
ностью 20 т/ч [44] . Температура газов на входе в экономайзер 200 "С, на
выходе из него 45 "С. Вода в экономайзере (22 т/ч) нагревается с 17 до 46 °С.
Теплопроизводительность экономайзера более 1,1 Гкал/ч, срок окупаемости 1,5
года.
      Установка конденсационных поверхностных экономайзеров повышает
к.и.т. на 9-ИЗ % при отсутствии за котлом обычных хвостовых поверхностей и
на 5-^8 % - при их наличии [44].
     Обзор результатов работы различных типов отопительных котлов во
Франции, Голландии и Швейцарии приведен в работе [43]. В этих котлах по-
верхность конденсационных блоков изготовлена из алюминиевых труб. Го-
рячая вода использовалась в системах отопления с перепадами температур


 90/70 °С и 80/60 °С. В холодное время года конденсация водяных паров из
 продуктов сгорания не происходила, выпадение конденсата имело место в
 начале и в конце работы системы отопления, то есть в октябре и в марте,
 когда температура обратной воды в системе отопления была ниже точки росы.
     Результаты испытаний группы конденсационных отопительных котлов
производительностью от 0,02 до 0,3 Гкал/ч, обслуживающих низкотемпера-
турные системы отопления (38/30 °С и 65/50 °С), приведены в [46, табл. X-I].
Отмечено, что при правильном режиме эксплуатации котла конденсат прак-
тически полностью выпадает на его холодных поверхностях, а не в дымовой
трубе, хотя конденсация остаточных паров в ней не исключена. Средний
КПД этих котлов по отношению к низшей теплоте сгорания газа составлял
96,4-^99,3 % , экономия топлива достигала 15 %. При снижении температуры
обратной воды до 20 °С экономия топлива увеличивалась до 25^30 %. Уста-
новлено, что для систем низкотемпературного отопления оптимальная тем-
пература горячей воды равна 50-КЮ °С. В этих же исследованиях определено,
что рН конденсата составляет 3,5^4,3.
     Сопоставление показателей работы конденсационных котлов контактного и
поверхностного типов приведено в работе [39]. Отмечено, что за счет
использования явной (то есть физической) теплоты дымовых газов и благодаря
конденсации водяных паров КПД конденсационных котлов выше, чем
традиционных на 15-^20 %. В статье отмечена высокая эффективность и от-
сутствие высоких требований к качеству металла контактных экономайзеров с
промежуточным теплообменником. К числу недостатков котлов с конден-
сационными приставками отнесены существенное аэродинамическое сопро-
тивление установок и изготовление теплоутилизаторов из коррозионно-
стойкого материала, поскольку рН конденсата составляет 3^-5.
     В России положительный опыт внедрения конденсационных теплоути-
лизаторов поверхностного типа получен институтом сантехпроект (г. Горький)
и Ульяновским государственным техническим университетом, которые
разработали установки утилизации тепла уходящих газов паровых котлов типа
ДЕ—10—14 ГМ при работе котельной на природном газе. Теплоутилизато-ры
выполнены на базе калориферов КСк-4-11 (№11) Костромского калори-
ферного завода (Минстройдормаш), смонтированы на всасывающей стороне
дымососа [18, 27].
     Установка одной секции калорифера позволяет повысить производи-
тельность котла ДЕ-10-14 ГМ на 7^8 %. Температура газов на входе в эко-
номайзер составляла 120-К34 °С, параметры нагреваемой воды - 5-^22 °С.
Дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплоутили-
затором преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания без
замены дымососа. Результаты натурных испытаний теплоутилизатора на ба-


зе биметаллического калорифера КСк-4-11-02 ХЗЛ, выполненные на Улья
новской ТЭЦ-3, представлены в главе 4 настоящей работы. Натурные испы
тания позволили впервые получить зависимость                   коэффициента
теплоотдачи утилизатора от скорости газов в условиях конденсации водяных
паров из продуктов сгорания.
     Проект групповой конденсационной поверхностной теплоутилизацион-
ной установки на базе калориферов типа КСк-4-12 для двух котлоагрегатов
ДЕ-25-14 ГМ представлен в работе [26] . При проверочном расчете ступеней с
конденсацией авторы [26] определяли коэффициенты теплопередачи К, не-
обходимые для заданного охлаждения дымовых газов. Расчетные значения К
сравнивались с данными испытаний контактных экономайзеров с кольцевыми
насадками, в которых К=\ОСИ-200 Вт/(м2-К) [2], полагая, что в поверхностных
теплообменниках в режиме конденсации интенсивность теплообмена такого же
порядка. Такой расчет является грубым, так как в действительности К является
функцией скорости газов и плотности орошения поверхности теплообменника
конденсатом дымовых газов [23].
     При разработке установок для глубокого охлаждения продуктов сгорания
необходимо обеспечить работу в «сухом» режиме наружных газоходов и
дымовой трубы, а также решить вопрос возможности использования кон-
денсата дымовых газов в системе теплоснабжения котельной.
     Для предупреждения конденсации остаточных водяных паров в газоходах
и в дымовой трубе на практике применяют следующие методы: байпаси-
рование горячих газов. В теплоутилизационной установке, разработанной на
Ульяновской ТЭЦ-3 [18], защита наружных газоходов и железобетонной
дымовой трубы от конденсации водяных паров производится наиболее про-
стым и надежным способом - байпасированием 20-30 % неохлажденных
продуктов сгорания. Условия надежной эксплуатации различных конструкций
дымовых труб, котлов с хвостовыми конденсационными теплоутилиза-торами
для способа защиты байпасированием подробно рассмотрены в третьей главе
настоящей работы.
    Выделяющийся в КТУ конденсат при контакте с продуктами сгорания
природного газа поглощает О2 и COi . Исследования качества конденсата из
продуктов сгорания природного газа, проведенные М.Б. Равичем, Л.И. Дру-
скиным в МИНГ им. Губкина, Г.М. Климовым в Горьковском инженерно-
строительном институте, в лаборатории химического анализа Ульяновской
ТЕЦ-3 показали достаточно высокие его качества. Конденсат продуктов сго-
рания природного газа лишен взвешенных веществ карбонатной жесткости и
имеет сухой остаток менее 5 мг/л. Он практически является бессолевой водой и
превосходит в этом смысле воду, умягченную в водоподготовительных
установках промышленных котельных. Конденсат продуктов сгорания при-


родного газа после дегазации вполне может быть использован для питания
котлов низкого давления [17].
     В работах [48, 49] представлены схемы газифицированных котельных
установок, которые содержат контактный воздухоподогреватель и контактный
экономайзер. При работе установки воздух в контактном воздухоподогревателе
насыщается водяными парами до допустимого по условиям горения
влагосодержания. Дымовые газы, проходя через контактный экономайзер,
охлаждаются, избыточная влага конденсируется и сливается через декорба-
низатор в бак, откуда через деаэратор подается в котел или внешнему потре-
бителю. Установка позволяет значительно увеличить производство собст-
венного конденсата и работать без химводоочистки для подпитки системы
теплоснабжения при возврате из нее более 66 % конденсата. Дополнительным
эффектом является сниженный в несколько раз выброс из дымовой трубы в
атмосферу оксидов азота.
     Эксплуатация такой установки на Челябинском заводе производства
оргстекла позволила снизить себестоимость вырабатываемой тепловой энергии
на 15 % и удельные капиталовложения на 10 % по сравнению с теми же
экономическими показателями для обычной котельной такой же мощности
(два котла КВ-ГМ-50 и один котел ГМ-50) [6].
     Широкое распространение контактных и поверхностных конденсационных
экономайзеров к традиционным котлам обусловлено, наряду с энерго-
сбережением, также и уменьшением вредных выбросов в атмосферу, вызванным
при использовании поверхностных конденсационных экономайзеров
растворением в конденсате продуктов сгорания определенного количества
оксидов углерода, азота и серы (если она содержится в топливе). Именно
благодаря этому и снижается рН конденсата. Снижение вредных выбросов
достигается также и за счет уменьшения расхода топлива.
     Изучение научных работ отечественных и зарубежных авторов в области
утилизации теплоты уходящих дымовых газов в газифицированных ко-
тельных позволяет сделать следующие основные выводы.
     1) 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 поверх-
ностные теплообменники.
     2) По простоте конструкции и изготовления преимущество имеют кон-
денсационные поверхностные теплообменники. По интенсивности теплооб-
мена, компактности, аэродинамическому сопротивлению оба типа теплооб-
менников (поверхностные и контактные) примерно равноценны. С точки


зрения экологической контактные экономайзеры имеют преимущества перед
конденсационными         поверхностными теплообменниками.
      3) 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).
      4) Охлаждение дымовых газов в конденсационных теплоутилизаторах
ниже точки росы резко снижает их влагосодержание, но не исключает воз-
можности конденсации остаточных водяных паров в газоходах и дымовой
трубе, особенно в холодное время года. Имеются два приемлемых пути обес-
печения надежной работы газового тракта после конденсационного тепло-
утилизатора: покрытие внутренних поверхностей газоходов и дымовой трубы
защитной гидроизоляцией; предотвращение конденсатообразования за счет
подогрева продуктов сгорания после теплоутилизатора.
      5) Экономически весьма эффективные схемы применения в газифициро-
ванных котельных контактных теплообменников разработаны НИИ санитарной
техники и оборудования зданий (г. Киев) и Ульяновским государственным
техническим университетом. Наличие в таких котельных контактных
воздухоподогревателей и контактных экономайзеров позволяет одновременно
уменьшить расход топлива и отказаться от применения химводоочистки при
возврате из системы теплоснабжения более 66 % конденсата.
      6) В настоящее время контактные теплоутилизаторы-экономайзеры экс-
плуатируются на Московской ГЭС-1, Первоуральской ТЭЦ, Челябинской
ГРЭС, Бердичевской электростанции, на ТЭЦ Горнохимического комбината
Украины, а также на ряде промышленных и отопительных котельных России и
стран бывшего СССР. Контактные теплообменники с активной насадкой -
КТАНы-утилизаторы работают на ряде предприятий стран Прибалтики, а по-
ложительный опыт внедрения конденсационных поверхностных теплоутили-
заторов получен институтом Сантехпроект (г. Горький) и Ульяновской ТЭЦ-3.


           Глава 2. КОНСТРУКЦИИ КОНДЕНСАЦИОННЫХ
                        ТЕПЛОУТИЛИЗАТОРОВ

                   2.1. Контактные теплоутилизаторы с
                            пассивной насадкой

     Устройство теплоутилизаторов-экономайзеров контактного типа может
быть различным. В настоящее время нашли применение противоточные насад
очные теплоутилизаторы-экономайзеры конструкции НИИСТ [3] двух типов:
1) блочные контактные экономайзеры ЭК-БМ1; 2) контактно-поверхностные
экономайзерные агрегаты АЭМ-0,6
     В насадочных экономайзерах контактная камера заполняется насадкой из
кислотоупорных керамических колец различной формы. Наибольшее
распространение получили керамические кольца Рашига. Схема блочного
контактного экономайзера типа ЭК-БМ1 представлена на рис. 2.1. Разработаны
экономайзеры двух типоразмеров ЭК-БМ1-1 и ЭК-БМ1-2.
     Холодная вода подается в экономайзер сверху с помощью водораспре-
делителя, состоящего из подводящей трубы, круглого коллектора и восьми
радиально расположенных горизонтальных перфорированных труб, вваренных
в коллектор. Диаметр отверстий в трубах и коллекторе 5 мм, шаг 50 мм.
     Уходящие дымовые газы от котлов подводятся в экономайзер снизу под
слой насадки, лежащей на специальной решетке. Вода стекает по насадке в
виде тонкой пленки, на поверхности которой и происходит теплообмен между
газами и водой. При полном смачивании насадки водой поверхность те-
плообмена приблизительно равна поверхности элементов насадки. Охлаж-
денные дымовые газы отводятся из верхней части экономайзера, а нагретая
вода собирается в нижней части аппарата. Движение продуктов сгорания через
экономайзер можно обеспечивать только при условии применения при-
нудительной тяги.
     Для получения минимального живого сечения экономайзеров использу-
ются правильно уложенные керамические кольца размерами 50x50x5 мм, по-


зволяющие повысить скорость газов до 2,0^-2,5 м/с, которая выше, чем в ус-
тановках контактных экономайзеров с кольцами меньших размеров, загру-
женных навалом. Высота рабочего слоя насадки при использовании этих колец
и скоростях продуктов сгорания 2,0-=-2,5 м/с составляет до 1000-^1200 мм.
Корпус блока экономайзера состоит их трех секций. Нижняя секция имеет
плоское днище, к которому приваривают опорную раму и четыре несущие
лапы, устанавливаемые на фундамент. В нижней секции имеется два штуцера:
для отвода горячей воды и для дренажа и продувки водяного объема.



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика