СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

АНАЛИЗ ПРОБЛЕМЫ ЭНЕРГОСБЕРЕЖЕНИЯ В ОБЛАСТИ КОТЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК И ТЕПЛОВЫХ ЭЛЕКТРОСТАНЦИЙ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ВТОРИЧНЫХ ЭНЕРГОРЕСУРСОВ

Состояние проблемы в области энергосбережения в котельных установках за счет использования теплоты уходящих газов

Газифицированные котельные имеют сравнительно высокие технико-экономические показатели в связи с отсутствием при сжигании природного газа потерь теплоты в результате механической неполноты сгорания, близостью к нулю химической неполноты сгорания и весьма небольшой потерей теплоты в окружающую среду. Потери теплоты с уходящими газами значительны и в котлах без хвостовых поверхностей могут достигать 25%.

При номинальной нагрузке газомазутных паровых котлов типа ДЕ температура уходящих продуктов сгорания за экономайзером при работе на газе составляет 140-160 °С, а на мазуте - 170-190 °С. У водогрейных газомазутных котлов эта температура еще выше: соответственно 140-190 и 180-230 °С. Снижение температуры уходящих газов - главный путь повышения использования топлива.

В связи с этим все большее распространение получают конденсационные теплоутилизаторы (КТ) контактного и поверхностного типов, позволяющие охлаждать уходящие дымовые газы ниже точки росы и дополнительно полезно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров [5, 162]. Точка росы продуктов сгорания природного газа при <1^ = 1,25-

1,35 равна 55,3-54 °С.

Эффективность применения КТ для утилизации теплоты продуктов сгорания природного газа объясняется повышенным содержанием в них водяных паров и высоким качеством выделяющегося из продуктов сгорания конденсата (обессоленной воды). Этот конденсат после дегазации (удаления растворенных в нем COi и Oj) может использоваться в качестве питательной воды котлов и (или) подпиточной воды системы теплоснабжения [5, 8, 22, 24, 154]. Это направление научных исследований является приоритетным в соответствии с распоряжением Правительства Российской Федерации № 1715-р от 13 ноября 2009 г.

Известно, что контактные (смесительные) теплообменники широко применяются в промышленности и энергетике (скруббера, абсорбционные и ректификационные колонны, градирни и др.). Их широкое распространение объясняется простотой конструкции, малым расходом металла, относительно высокой интенсивностью теплообмена.

По конструктивным особенностям контактные теплоутилизаторы можно разделить на три основные группы: насадочные, полые и типа КТАН (контактный теплообменник с активной насадкой). Принципиальные схемы этих теплообменников представлены на рис. 1.1.

В насадочном теплообменнике уходящие газы нагревают жидкость, стекающую по насадке (рис. 1.1, а). Теплоутилизаторы такого типа получили наибольшее распространение на практике. Основным элементом, определяющим интенсивность процессов тепло- и массо- обмена в таком аппарате, является теплообменная насадка, в качестве которой чаще всего используется засыпка из керамических колец Ра- шига. В этих теплообменниках дымовые газы и жидкость, как правило, движутся противотоком.

Схемы контактных теплообменников

Рис. 1.1. Схемы контактных теплообменников: а- с насадкой; б - без насадки; в - с “активной” насадкой (КТАН); 1 - каплеуловитель; 2 - ороситель; 3 - теплообменная насадка; 4 - поддон; 5 - насос

Общим преимуществом насадочных контактных теплообменников является простота изготовления и высокая тепловая эффективность.

К недостаткам можно отнести:

  • 1) возможность нагревания воды только до температуры мокрого термометра, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в дымовых газах;
  • 2) высокое аэродинамическое сопротивление (300-1700 Па);
  • 3) существенную зависимость аэродинамического сопротивления от плотности орошения, что усложняет эксплуатацию этих теплообменных аппаратов при работе в переменных режимах;
  • 4) небольшую предельную скорость движения газов (1-2,5 м/с), обусловливающую увеличение габаритов;
  • 5) высокую вероятность влагоуноса, усложняющую эксплуатацию газоходов, дымососов и дымовых труб.

Меньшее распространение получили полые контактные теплообменные аппараты (рис. 1.1, б), в которых основным элементом, обеспечивающим развитую поверхность контакта газов с жидкостью, являются форсунки механического распыливания или другие оросители. От характеристик и расположения последних зависят дисперсность, равномерность распространения и, в конечном счете, интенсивность процессов тепло- и массообмена.

Полые контактные теплообменники отличаются от насадочных следующими преимуществами:

  • 1) простотой конструкции (отсутствием насадки);
  • 2) низким аэродинамическим сопротивлением (не более 100-200 Па), слабо зависящим от плотности орошения;
  • 3) более высокими скоростями газов (2,5-3 м/с).

Полые контактные теплообменники не находят широкого применения в качестве утилизаторов теплоты уходящих газов из-за их низкой тепловой эффективности, обусловленной малым временем контакта теплоносителей.

Контактные теплообменники с активной насадкой (КТАНы) (рис. 1.1, в) разработаны позднее насадочных и полых контактных теплообменников. Основное отличие КТАНа от обычного теплообменника с насадкой заключается в том, что исходная вода подогревается уходящими газами в активной насадке - пучке труб диаметром 20-30 мм, который орошается циркулирующей водой. Тепловая эффективность таких аппаратов зависит от интенсивности процессов тепло- и массообмена между газами и орошающей жидкостью, а также от интенсивности процесса теплообмена между орошающей жидкостью и жидкостью, проходящей в трубном пучке.

Анализ публикаций показывает, что КТАНы сочетают как преимущества, так и недостатки насадочных и полых контактных теплообменников. К преимуществам можно отнести:

  • 1) повышение скорости движения газов (до 6-10 м/с);
  • 2) относительно низкое аэродинамическое сопротивление (300— 700 Па);
  • 3) отсутствие контакта газов с нагреваемой водой, что снимает ограничения по ее качеству.

Вместе с тем КТАНы имеют следующие недостатки:

  • 1) не обеспечивают нагревание жидкости до температуры выше температуры мокрого термометра;
  • 2) холодная вода, орошающая змеевик, в верхней зоне охлаждает нагреваемую воду;
  • 3) уступают теплообменникам с насадкой по коэффициенту использования тепла уходящих газов;
  • 4) в этих теплообменниках имеется вероятность влагоуноса дымовыми газами.

Краткий обзор научных работ по разработке и внедрению контактных экономайзеров с пассивной насадкой приведен в [5]. В частности отмечено, что еще в 1929 г. профессор А.К. Сильницкий предложил и осуществил установку контактного водяного экономайзера. Позднее разработкой контактных экономайзеров занимались сотрудники Ленинградской конторы Оргэнерго Л.С. Горович, Б.Н. Николаевский и др. Профессор Г.К. Филоненко предложил в 1938 г. конструкцию контактного теплоутилизатора для сушильных установок.

Однако предложенные в то время конструкции теплоутилизато- ров-экономайзеров работали на продуктах сгорания твердого топлива и не получили распространения из-за плохого качества получаемой воды (до 1939 г. в СССР природный газ почти не добывался).

В послевоенные годы вопросами теории взаимодействия уходящих дымовых газов и воды занимался доцент института энергетики БССР Г.Б. Пекелис.

Применительно к промышленным установкам М.Б. Равичем предложена весьма перспективная и уже в течение многих лет внедряемая на предприятиях схема комплексного ступенчатого использования теплоты продуктов сгорания, предусматривающая в качестве последней ступени глубокое охлаждение дымовых газов в контактных экономайзерах.

Систематическая работа по конструированию контактных экономайзеров, их исследованию и внедрению с 1957 г. осуществляется в научно-исследовательском институте санитарной техники и оборудования зданий и сооружений (НИИСТ) г. Киева. В период с 1957-1960 гг. НИИСТ разработал конструкцию экономайзера, проверил ее в полупромышленных условиях (Киевский пивзавод № 1) и на опытнопромышленной установке (Соломенский банно-прачечный комбинат г. Киева). Позднее контактные экономайзеры были запроектированы и внедрены НИИСТ на ряде предприятий УССР, работы проводились под руководством профессора Б.Н. Лобаева и к.т.н. И.З. Аронова.

В период 1961-1965 гг. Промэнерго запроектированы и сооружены установки экономайзеров на ряде предприятий г. Москвы (Тишино-Сокольнической красильно-отделочной фабрике, Электроламповом заводе, Кунцевской ткацко-отделочной фабрике, Краснохолмском камвольном комбинате).

Глубокое охлаждение продуктов сгорания природного газа в промышленных топливоиспользующих установках и особенно в энергетике - наиболее эффективный путь экономии газа. Именно это направление начало усиленно развиваться в странах Западной Европы и США в начале 70-х годов, когда в зарубежных странах начался топливный кризис. На XIII конгрессе МИРЭК (г. Ленинград, 1987 г.) глубокое охлаждение продуктов сгорания признано одним из наиболее важных энергосберегающих методов.

Конструкции, принцип работы, методика расчета и результаты эксплуатации контактных теплоутилизаторов с пассивной насадкой полно описаны в работе И.З. Аронова [5]. Однако в настоящее время созданы новые конструкции контактных теплообменников различного назначения, разработаны схемы и типовые проекты их установки, внедряются конструкции блочных контактно-поверхностных экономайзеров, контактных теплообменников с активной насадкой и компактных конденсационных поверхностных теплоутилизаторов для глубокого охлаждения дымовых газов ниже точки росы. В связи с этим проанализируем и сопоставим преимущества и недостатки контактных, контактно-поверхностных и поверхностных конденсационных теплообменников (экономайзеров), определим наиболее рациональные области их применения.

Контактные экономайзеры, установленные за энергетическими котлами, прошли более детальные испытания, чем экономайзеры в промышленных котельных [5].

В 1978 г. службой наладки Мосэнерго совместно с персоналом Московской ГЭС-I были проведены испытания наиболее крупного контактного экономайзера, установленного за котлами № 6 и № 7 [186]. Средняя температура дымовых газов на входе в экономайзер равнялась 150-160 °С, а на выходе из него - 40-50 °С, температура газов в дымовой трубе поддерживалась на уровне 95-110 °С. Максимальная теплопроизводительность экономайзера, составляющая 8 Гкал/ч, была достигнута при начальной температуре воды 2 °С и конечной 38 °С. Экономайзер был установлен на напорной стороне дымососа. С целью увеличения тяги повышалась частота вращения дымососа с 730 до 960 об/мин при соответствующей реконструкции двигателя. Затраты на установку экономайзера на Московской ГЭС-1 окупились за 4 месяца.

Испытания экономайзеров на Первоуральской ТЭЦ показали, что с увеличением нагрузки котла теплопроизводительность экономайзера растет, особенно если при этом сохраняется неизменным соотношение паропроизводительности котла и расхода воды на экономайзер. Так, с увеличением паровой нагрузки котла с 50 до 70 т/ч, т.е. на 40%, теплопроизводительность экономайзера возросла с 2,6 до 4,7 Гкал/ч, т.е. на 80% [5]. В экономайзерах Первоуральской ТЭЦ использованы насадки из керамических колец Рашига типа КК 80x80x8 мм, правильно уложенные рядами, высота слоя колец - 2,0-2,5 м. Аэродинамическое сопротивление экономайзеров составляло от 110 до 180 мм вод. ст., при этом не потребовалось замены дымососов.

Теплотехнические испытания экономайзера на Челябинской ГРЭС проводились Челябэнерго в разное время года. Было установлено, что снижение температуры воды на входе в экономайзер приводит к заметному повышению его теплопроизводительности в результате снижения температуры и влагосодержания уходящих газов. Теплопроизводительность экономайзера возрастает с увеличением нагрузки котла.

Результаты теплотехнических испытаний контактных экономайзеров на Бердичевской электростанции и на ТЭЦ одного из промышленных предприятий Украины приведены в [5]. Было установлено, что при использовании кольцевых насадок КК 25x25x3 мм аэроди-

ю

намическое сопротивление экономайзера оказалось значительно выше, чем у колец большего размера, и составило 90 мм вод. ст.

Опыт использования вторичных энергоресурсов в производственной котельной описан в статье [10]. С целью использования теплоты уходящих газов парового котла МЗК-7 производительностью 1 т/ч была спроектирована и смонтирована теплоутилизационная установка с контактным экономайзером и промежуточным теплообменником. Для подачи газов через экономайзер на выходе установлен отсасывающий вентилятор Ц13-50 № 3 (п = 1440 об/мин). Экономайзер представляет собой слой насадки высотой 900 мм из керамических колец Рашига размером 35x35 мм. В верхней части размещен перфорированный водораспределитель с 12- ю отверстиями диаметром 4 мм. Установка была оборудована промежуточным теплообменником: диаметр трубок секций - 57/50 мм, длина -4 м, площадь поверхности нагрева секции - 0,75 м2, число секций - 7. При испытании было установлено, что в теплообменниках водопроводная вода в количестве 2,4 м3/ч нагрелась с 10 до 44-45 °С. КПД котельной установки составил 95% по высшей теплоте сгорания топлива. Годовой экономический эффект от перевода одного котла МЗК-7 на работу с теплоутилизатором составил 7 тыс. рублей (1985 г.). Испытания проводились в период отопительного сезона 1984/85 гг.

Теплотехнические показатели работы контактного экономайзера с промежуточным теплообменником представлены в статье [131]. Конструкция контактного экономайзера разработана НИИСТ, а рабочие чертежи экономайзера, его изготовление и монтаж были выполнены Боткинским машиностроительным заводом. Корпус экономайзера изготовлен из углеродистой стали, высота его составляет 7,36 м, поперечное сечение в плане - 2,10x2,45 м. Внутренняя поверхность экономайзера имеет антикоррозионное покрытие на основе эпоксидной смолы. В качестве насадки использованы керамические кольца КК-50, загруженные навалом, высота слоя насадки - 1,5 м. В качестве промежуточного теплообменника применены шесть секций скоростного водоподогревателя (длина секции - 3,4 м, диаметр - 325 мм) общей поверхностью нагрева 104,7 м2. Экономайзер расположен на напорной стороне дымососа. Котел производительностью 39^44 т/ч работал на природном газе Уренгойского месторождения и высокосернистом мазуте М-100 (содержание серы до 2%). Количество продуктов сгорания при работе котла на природном газе составляло 34000 кг/ч, на мазуте - 36000 кг/ч. Температура продуктов сгорания на входе в контактную камеру t = 160-165 °С, а на выходе - 27-32 °С. При а = 1,5 температура конденсации водяных паров для продуктов сгорания природного газа равна 52-54 °С, а мазута - 42-44 °С. Таким образом, полезно использовалась скрытая теплота содержащихся в уходящих газах водяных паров. КПД котла составил 95% по высшей теплоте сгорания топлива.

Температура водопроводной воды на входе в промежуточный теплообменник равнялась 2 °С, а на выходе - 18-22 °С при работе на газе и 22,5-28 °С - при работе на мазуте. Температура воды на входе в контактную камеру равнялась 7,5-17 °С при работе на газе и 9-16 °С - при работе на мазуте, а на выходе - 39,5-49,5 °С и 38-41,5 °С соответственно. Средняя логарифмическая разность температур в промежуточном теплообменнике была равна 12-15 °С. Установка контактного экономайзера позволила повысить КПД котла на 13% при работе на газе, экономический эффект равен 62450 руб./год (1980 г.), экономия газа составила 1,57 млн. м3/год.

Опыт эксплуатации контактного экономайзера, установленного за двумя паровыми котлами ДКВ-2-8 и двумя водогрейными котлами «Универсал» (в работе находилось два котла - один паровой и один водогрейный) описан в статье [77]. Теплотехнические показатели экономайзера были рассчитаны при а = 1,5, но в реальных условиях он достигал 1,8 и более. Из-за увеличенного объема дымовых газов производительность дымососа оказалась недостаточной, и часть газов пришлось пропускать непосредственно через дымовую трубу. Несмотря на это, испытания показали высокую эффективность контактного экономайзера. Вода в количестве 10,6 м3/ч нагревалась от 1 до 20 °С, дымовые газы при температуре на входе 165 °С охлаждались до 20 °С. Количество полезной теплоты равнялось 242 ккал/ч, расход топлива снизился на 19%, а КПД котельной установки повысился на 11,09%.

Отмечено, что намного более хорошие условия эксплуатации контактного экономайзера создаются в случае применения промежуточного теплообменника, который обеспечивает независимость работы экономайзера от расхода воды потребителями. Необходимо осуществлять комплектную поставку: экономайзер, теплообменник, циркуляционный насос, а также снабжать экономайзер переливной трубой с гидрозатвором и водомерным стеклом.

Обладая высокой тепловой эффективностью, насадочные проти- воточные теплоутилизаторы-экономайзеры имеют недостатки, главный из которых заключается в том, что качество нагретой контактным способом воды не удовлетворяет требованиям ГОСТ 2874-73 к питьевой воде. Противоток в насадочной камере позволяет работать при скоростях дымовых газов не более 2-3 м/с, при больших скоростях наблюдается повышенный унос воды и нарушение гидродинамического режима контактной камеры.

Для снятия ограничений по качеству нагреваемой воды теплоутилизационные установки с “пассивной” насадкой применяют совместно с промежуточным теплообменником. Установка промежуточного теплообменника исключает прямой контакт газов и нагреваемой для целей теплоснабжения воды. Промежуточный теплообменник может быть встроен в корпус контактного теплоутилизатора или смонтирован отдельно в зависимости от мощности котла и теп- лопроизводительности утилизатора [5, 186].

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 5-50 °С [70]. КТАН является аппаратом рекуперативно-смесительного типа, состоит из корпуса, изготовляемого из листовой стали, системы орошения активной насадки с циркулирующим в ней теплоносителем и се- парационного устройства. Омываемая одновременно движущимися сверху вниз потоками газов и орошающей воды 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 интенсификации передачи теплоты от газов чистому потоку воды, протекающему 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 контактноповерхностных 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 использовании теплоты уходящих газов котлов) 50-60 °С. Нагреть воду до более высокой температуры можно, если применить в качестве промежуточного теплоносителя водный раствор бромистого лития или хлористого кальция, имеющих более высокую температуру кипения и точку росы [18].

КТАНы - утилизаторы установлены и работают на ряде предприятий (рижский фарфоровый завод, рижская фабрика “Космос”, вильнюсская бумажная фабрика “Новые Верки”, НПО “Техуглерод”). Опыт эксплуатации и результаты испытаний КТАНов подтвердили их высокую эффективность, их применение в газифицированных котельных позволяет снизить расход газа на 10-12%. В КТАНе исключается контакт нагреваемой воды с газами. Расчетные параметры КТАНов - утилизаторов и их технические характеристики представлены в табл. 8.14, 8.15 [18]. Анализ работы КТАНов - утилизаторов и их сравнение с традиционными теплоутилизаторами контактного типа рассмотрены в работах [162, 163].

Глубокое охлаждение уходящих дымовых газов с целью экономии топлива получило достаточно широкое распространение за рубежом. По данным [5], например, в ФРГ предложена конструкция контактного утилизатора для котлов, работающих на твердом топливе, который одновременно служит и пылезолоуловителем. Нагреваемая в нем вода используется в качестве теплоносителя для водоводяного 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” в 1970 г. разработала контактный экономайзер - рекуператор ИККО (ICCO), схема которого представлена на рис. П-8 [5]. Контактная схема экономайзера ИККО форсуночно-каскадного противоточ- ного типа. Нагреваемая 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 экономайзерам получили распространение в 80-х годах. Принципиальная схема контактно-поверхностного экономайзера, разработанного в США, не отличается от схемы ИККО. Сопоставляя различные схемы контактных теплоутилизаторов, Д. Томпсон и Б. Голдстик [197] 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 контактный 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 влагосодержания газов (точка росы достигает 68 °С) [198].

Наибольшее распространение контактные экономайзеры получили в газифицированных котельных [197, 198].

Последние 15-20 лет внедряются и получают распространение конденсационные поверхностные экономайзеры, позволяющие также охлаждать уходящие дымовые газы ниже точки росы, а ранее использовались в основном только контактные теплообменники. Охлаждение продуктов сгорания природного газа ниже точки росы в конденсационных поверхностных теплообменниках имеет значительное развитие за рубежом [207, 208]. Применение контактных теплообменников обеспечивает развитую поверхность и высокую интенсивность теплообмена. Однако при этом нагреваемая контактным способом вода поглощает из продуктов сгорания углекислоту и кислород и может приобретать коррозионно-агрессивные свойства.

Для предупреждения коррозии трубопроводов необходимо производить термическую деаэрацию воды в атмосферных или вакуумных деаэраторах. В первом случае нужно нагревать воду до 100 °С паром, что требует установки в котельной паровых котлов. Системы с вакуумной деаэрацией применяют в системах теплоснабжения открытого типа. Необходимость деаэрации нагретой контактным способом воды может в ряде случаев затруднить ее использование.

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 м объема аппарата. Коэффициенты теплоотдачи от дымовых газов к поверхностям нагрева при глубоком охлаждении, сопровождающимся конденсацией водяных паров из газов, соизмеримы с коэффициентами теплообмена для контактных аппаратов. Поверхностные конденсационные теплообменники 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— 150 °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 и выполненных из нержавеющей стали.

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 керамику. Применение коррозионно-стойких материалов позволило создать конденсационные теплообменники также для утилизации теплоты уходящих газов жидкого топлива.

Теплотехнические показатели поверхностных теплообменников, в которых должна происходить конденсация водяных паров из дымовых газов, во многом определяются температурой нагреваемого теплоносителя. Если в теплообменнике нагревается вода, то для конденсации водяных паров из дымовых газов необходимо, чтобы температура стенки теплообменника была ниже точки росы. Предполагается, что коэффициент теплоотдачи от стенки теплообменника к протекающей внутри него жидкости (воде) на порядок выше коэффициента теплоотдачи с газовой стороны, а температура наружной поверхности нагрева мало отличается от температуры воды.

При нормальной эксплуатации котла коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания природного газа составляет 1,2-1,3, точка росы таких газов примерно равна 55 °С. Отсюда следует, что для работы теплоутилизатора в режиме конденсации всей его конвективной части требуется, чтобы температура нагрева воды в конвективном пакете не превышала 55 °С.

Теплоутилизатор устанавливается в газоходе котла между экономайзером и дымососом. Уходящие продукты сгорания после экономайзера с температурой 120-150 °С разделяются на два потока. Основной поток газов (70-80%) направляется через регулирующий клапан в теплоутилизатор, второй (около 20-30%) - по обводной линии газохода.

Процесс охлаждения продуктов сгорания в теплоутилизаторе ниже точки росы сопровождается уменьшением влагосодержания со 115 до 50 г/кг с.г. и выпадением конденсата в количестве 0,6-0,7 кг на 1 м3 сжигаемого природного газа.

Температура продуктов сгорания после смешения поддерживается на уровне 65-70 °С, что выше точки росы, влагосодержание - 65- 70 г/кг с.г. и относительная влажность - 50-55%. Водяные пары после смешения находятся в перегретом состоянии, это позволяет при всех режимах работы котла исключить выпадение конденсата в газовом тракте.

Дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплоутилизатором, преодолевается в основном за счет уменьшения объема продуктов сгорания вследствие снижения их температуры, а также снижения массового расхода из-за конденсации части водяных паров. При работе котельной на мазуте газы полностью направляются по обводному газоходу, минуя теплоутилизатор.

Образующийся конденсат собирается и, минуя водоподготовительную установку, направляется в бак химочищенной воды, откуда насосами подается в деаэратор и далее используется для подпитки теплосети. 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.

В настоящее время газовые конденсационные поверхностные отопительные 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 [201, 202, 204, 205, 206].

В США начаты освоение и выпуск поверхностных конденсационных экономайзеров для паровых котлов. В котельной фирме «Тимкен» испытан поверхностный экономайзер, установленный за котлом паропроизводительностью 20 т/ч [204]. Температура газов на входе в экономайзер составляет 200 °С, на выходе из него - 45 °С. Вода в экономайзере (22 т/ч) нагревается с 17 до 46 °С. Теплопроизводи- тельность экономайзера - более 1,1 Гкал/ч, срок окупаемости - 1,5 года.

Установка конденсационных поверхностных экономайзеров повышает коэффициент использования топлива (к.и.т.) на 9-13% при отсутствии за котлом обычных хвостовых поверхностей и на 5-8% - при их наличии [204].

Обзор результатов работы различных типов отопительных котлов во Франции, Голландии и Швейцарии приведен в работе [202]. В этих котлах поверхность конденсационных блоков изготовлена из алюминиевых труб. Горячая 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, т.е. в октябре и в марте, когда температура обратной воды в системе отопления была ниже точки росы.

Результаты испытаний группы конденсационных отопительных котлов теплопроизводительностью от 0,02 до 0,3 Гкал/ч, обслуживающих низкотемпературные системы отопления (38/30 °С и 65/50 °С), приведены в табл. X-I [206]. Отмечено, что при правильном режиме эксплуатации котла конденсат практически 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%. Установлено, что для систем низкотемпературного отопления оптимальная температура горячей воды равна 50-60 °С. В этих же исследованиях определено, что pH конденсата составляет 3,5-4,3.

Сопоставление показателей работы конденсационных котлов контактного и поверхностного типов приведено в [198]. Отмечено, что за счет использования явной (т.е. физической) теплоты дымовых газов и благодаря конденсации водяных паров КПД конденсационных котлов выше, чем традиционных, на 15-20%. В статье отмечена высокая эффективность и отсутствие высоких требований к качеству металла контактных экономайзеров с промежуточным теплообменником. К числу недостатков котлов с конденсационными приставками отнесены существенное аэродинамическое сопротивление установок и изготовление теплоутилизаторов из коррозионно-стойкого материала, поскольку pH конденсата составляет 3-5.

В России положительный опыт внедрения конденсационных теплоутилизаторов поверхностного типа получен институтом Сантех- проект (г. Горький) и Ульяновским государственным техническим университетом, которые разработали установки утилизации теплоты уходящих газов паровых котлов типа ДЕ-10-14 ГМ при работе котельной на природном газе. Теплоутилизаторы выполнены на базе калориферов КСк-4-11 (№ 11) Костромского калориферного завода (Минстройдормаш), смонтированы на всасывающей стороне дымососа [96, 97, 100, 142].

Установка одной секции калорифера позволяет повысить производительность котла ДЕ-10-14 ГМ на 7-8%. Температура газов на входе в экономайзер составляла 120-134 °С, параметры нагреваемой воды - 5-22 °С. Дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплоутилизатором, преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания без замены дымососа. Результаты натурных испытаний теплоутилизатора на базе биметаллического калорифера КСк-4-11-02 ХЗЛ, выполненные на Ульяновской ТЭЦ-3, представлены в гл. 3 настоящей работы.

При разработке установок для глубокого охлаждения продуктов сгорания необходимо обеспечить работу в “сухом” режиме наружных газоходов и дымовой трубы, а также решить вопрос о возможности использования конденсата водяных паров, выделяющегося из дымовых газов, в системе теплоснабжения котельной.

Дымовые трубы тепловых электростанций являются важной составляющей основных сооружений ТЭС. Выход из строя одной дымовой трубы приводит к отключению значительных энергетических мощностей. Обследование дымовых труб ТЭС показало, что основные разрушения строительных конструкций происходят из-за нарушения режимов их эксплуатации и недостатков, допущенных в процессе проектирования и строительства.

Для предупреждения конденсации остаточных водяных паров в газоходах и в дымовой трубе на практике применяют байпасирование горячих газов. В теплоутилизационной установке, разработанной на Ульяновской ТЭЦ-3 [96], защита наружных газоходов и железобетонной дымовой трубы от конденсации водяных паров производится наиболее простым и надежным способом - байпасированием 20-30% неохлажденных продуктов сгорания (см. главу 3 настоящей работы).

Для повышения надежности железобетонных дымовых труб имеется целый ряд предложений. Одним из наиболее значимых следует считать разделение функций газоотводящего и несущего стволов. Га- зоотводящий ствол должен надежно ограждать поток дымовых газов и противостоять воздействию повышенных температур и агрессивных компонентов. Задачей несущей конструкции является восприятие ветровых и весовых нагрузок, достигающих для высоких дымовых труб больших значений.

Устройство прижимной футеровки к железобетонному стволу не обеспечивает достаточной надежности трубы, особенно при агрессивных дымовых газах. Через футеровку может происходить фильтрация вначале газов, а по мере охлаждения и конденсации паров - также и жидких веществ, которые могут проникнуть в железобетонный ствол и разрушить последний, поскольку он не рассчитан на воздействие агрессивной среды.

С целью повышения надежности железобетонных дымовых труб конструкции, ограждающие газовый поток и воспринимающие температурные напряжения, стали отделять от наружных конструкций, воспринимающих внешние нагрузки (ветровые) и собственную массу.

К числу первых предложений следует отнести схему, разработанную ОРГРЭС, по которой между футеровкой и железобетонным стволом по всей высоте создается узкий канал (ширина 100-200 мм) и выполняются окна в железобетонном стволе для забора воздуха внизу трубы и выброса вверху. Движение воздуха в этом случае осуществляется за счет естественной вентиляции при нагревании воздуха от футеровки.

Эта схема, имея преимущества по сравнению с трубами с прижимной футеровкой, не свободна от некоторых недостатков. Одним из них является контакт холодного воздуха с нагретой футеровкой, что связано с большим градиентом температур между внутренней и наружной поверхностями футеровки. Другим недостатком является отсутствие противодавления, которое могло бы воспрепятствовать проникновению газов в железобетонный ствол, а также малая интенсивность движения слабо нагретого воздуха.

Следующим шагом в повышении надежности работы дымовой трубы является организация в воздушном канале принудительного движения предварительно подогретого воздуха, причем температура подогрева воздуха, подаваемого в воздушный канал дымовой трубы, принимается в зависимости от температуры наружного воздуха [152]. Разработанные способы утилизации теплоты вентилируемого воздуха дымовых труб ТЭС представлены в [59, 100].

В работах [100, 105, 210, 214] даны 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 декарбонизатор в бак, откуда через деаэратор подается в котел или внешнему потребителю. Установка позволяет значительно увеличить производство собственного 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.

Широкое распространение контактных и поверхностных конденсационных экономайзеров к традиционным котлам обусловлено, наряду с энергосбережением, также и уменьшением вредных выбросов в атмосферу, вызванных 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 pH конденсата. Снижение вредных выбросов достигается также за счет уменьшения расхода топлива.

Таким образом, глубокое охлаждение уходящих дымовых газов получает все более широкое распространение, что обусловлено энергосбережением и снижением вредных выбросов в атмосферу.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >