Система конденсации уходящих дымовых газов позволяет получить и рекуперировать большое количество тепловой энергии, содержащейся во влажном уходящем дымовом газе котла, который обычно выбрасывается через дымовую трубу в атмосферу.
Система рекуперации тепла/конденсации уходящих дымовых газов позволяет увеличить на 6 - 35% (в зависимости от типа сжигаемого топлива и параметров установки) отпуск тепла потребителям или снизить потребления природного газа на 6-35%
Основные преимущества:
Принцип работы:
Система рекуперации тепла/конденсации уходящих дымовых газов может работать в две ступени: с использованием или без использования системы увлажнения воздуха, подающегося на горелки котла. Если необходимо, то устанавливается скруббер перед системой конденсации.
В конденсаторе уходящие дымовые газы охлаждаютя с помощью воды обратки теплосети. При снижении температуры уходящих дымовых газов происходит конденсация большого количества водяных паров, содержащихся в уходящем газе. Тепловая энергия конденсации паров используется для нагрева обратки теплосети.
Дальнейшее охлаждение газа и конденсация водяных паров происходит в увлажнителе. Охлаждающей средой в увлажнителе является дутьевой воздух, подаваемый на горелки котла. Так как дутьевой воздух нагревается в увлажнителе, а теплый конденсат впрыскивается в поток воздуха перед горелками - таким образом происходит дополнительный испаренительный процесс в уходящем дымовом газе котла.
Дутьевой воздух, подаваемый на горелки котла содержит повышенное количество тепловой энергии ввиду повышенной температуры и влажности.
Это приводит к увеличению количества энергии в уходящем дымовом газе поступающем в конденсатор, что в свою очередь приводит к более эффективному использованию тепла системой централизованного теплоснабжения.
В установке конденсации уходящих дымовых газов также получают конденсат, который, в зависимости от состава уходящих дымовых газов, будет доочищен перед подачей его в систему котла.
Экономический эффект.
Сравнение тепловой мощности при условиях:
Системаконденсации уходящих дымовых газов позволяет существующей котельной:
Экономия в зависимости от температуры теплоносителя в обратном трубопроводе:
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:
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:
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:
Для того чтобы добавить описание энергосберегающей технологии в Каталог, заполните опросник и вышлите его на c пометкой «в Каталог» .
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].
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
Министерство образования и науки Российской Федерации
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Пермский национальный исследовательский политехнический университет
Березниковский филиал
Контрольная работа
по дисциплине "Ресурсосбережение"
на тему "Использование тепла отходящих дымовых газов"
Работу выполнила студентка
группы ЭиУ- 10з(2)
Пауэльс Ю.С.
Работу проверил преподаватель
Нечаев Н.П.
Березники 2014 г.
Введение
1. Общие сведения
3. Котлы-утилизаторы
Заключение
Введение
Газы в технике, применяются главным образом в качестве топлива; сырья для химической промышленности: химических агентов при сварке, газовой химико-термической обработке металлов, создании инертной или специальной атмосферы, в некоторых биохимических процессах и др.; теплоносителей; рабочего тела для выполнения механической работы (огнестрельное оружие, реактивные двигатели и снаряды, газовые турбины, парогазовые установки, пневмотранспорт и др.): физической среды для газового разряда (в газоразрядных трубках и др. приборах).
Рассмотрим ближе применение отходящих дымовых газов.
газ дымовой тепло рекуператор
1. Общие сведения
Дымовые газы -- продукты горения топлива органического происхождения, отходящие из рабочего пространства отапливаемых металлургических агрегатов.
Отходящие газы (вторичные энергетические ресурсы) -- газы, образующиеся в результате сжигания топлива, а также технологических процессов, покидающие печь или агрегат.
Использование физического тепла отходящими газами определяется их количеством, составом, теплоемкостью и температурой. Наиболее высокая температура отходящих газов кислородных конвертеров (1600-1800 °С), наиболее низкая - температура отходящих газов воздухонагревателей доменных печей (250-400 °С). Использование тепла отходящих газов организуется разными способами. При регенеративном или замкнутом охлаждении тепло отходящих газов используется для непосредственного повышения экономичности технологического процесса (нагрев регенераторов или рекуператоров, шихты или технологического продукта и т. п.). Если в результате регенеративного охлаждения используется не все тепло отходящих газов, то применяют котлы-утилизаторы. Физическое тепло отходящие газы используют также для выработки электроэнергии во встроенных газотурбинных установках. Содержащиеся в отходящие газы колошниковая пыль доменного газа, оксиды железа в газах мартеновских печей и кислородных конвертеров улавливаются на установках газоочистки и в качестве оборотного продукта возвращаются в технологический процесс.
2. Регенераторы и рекуператоры для нагрева воздуха и газа
Как было указано выше, подогрев воздуха и газа осуществляется в регенераторах или рекуператорах путем использования тепла дымовых газов, уходящих из рабочих камер печей. Регенераторы применяются в мартеновских сталеплавильных печах, в которых подогрев воздуха и газа доходит до 1000 - 1200°. Принцип работы регенераторов заключается в попеременном нагреве двух теплоемких кирпичных насадок (решеток) газами, выходящими из рабочей камеры печи, с последующим пропуском через нагретую насадку подогреваемого газа или воздуха. Подогрев газа или воздуха в регенераторах связан с переключением последних то на нагрев, то на охлаждение. Это требует периодических перемен направления движения пламени в рабочей камере печи, что вызывает необходимость переключения топочных устройств; таким образом, весь процесс работы печи становится реверсивным. Это усложняет конструкцию печи и удорожает ее эксплуатацию, но способствует равномерному распределению температур в рабочем пространстве печи.
Принцип работы рекуператора представляющего собой поверхностный теплообменник, состоит в непрерывной передаче тепла, дымовых газов, уходящих из рабочей камеры печи, нагреваемому воздуху или газообразному топливу.
Рекуператор характеризуется непрерывным движением газов в одном направлении, что сильно упрощает конструкцию печей и удешевляет строительство и эксплуатацию.
На рис. 1 показан распространенный керамический рекуператор, в котором трубы составляются из восьмигранных керамических элементов, а пространство между трубами перекрыто фасонными плитками. Внутри труб движутся дымовые газы, а снаружи (в поперечном направлении) - нагреваемый воздух. Толщина стенок труб составляет 13 - 16 мм и представляет значительное термическое сопротивление. Коэффициент теплопередачи (отнесенный к воздушной поверхности) составляет 6 - 8 вт/(м 2 град). Элементы керамических рекуператоров изготовляются из шамотной или из какой-либо другой более теплопроводной огнеупорной массы с последующим обжигом. Преимуществами керамических рекуператоров являются их высокая огнеупорность и хорошая термическая стойкость - материал не портится при пропуске через рекуператор дымовых газов с очень высокой температурой.
Рис. 1. Трубчатый керамический рекуператор.
1 - нагретый воздух; 2 - дымовые газы; 3 - холодный воздух; 4 - керамические трубы; 5 - перегородки.
К недостаткам керамических рекуператоров относятся их малая плотность, большая теплоемкость, плохая теплопередача от дымовых газов к воздуху и расстройство соединений элементов от сотрясений и перекосов. Эти недостатки сильно ограничивают распространение керамических рекуператоров, и они применяются лишь в непрерывно действующих печах, установленных в цехах, где нет механизмов ударного действия (например, паровых молотов).
Наибольшее распространение получили металлические рекуператоры, имеющие наиболее благоприятные перспективы развития. Экономическая целесообразность установки таких рекуператоров подтверждается быстрой окупаемостью затрат на сооружение (0,25 - 0,35 лет).
Металлические рекуператоры отличаются эффективной теплопередачей, малой теплоемкостью, а, следовательно, быстрой готовностью к нормальной работе и большой плотностью. Элементы металлических рекуператоров изготовляются из различных металлов в зависимости от рабочей температуры материала и состава дымовых газов, проходящих через рекуператор. Простые черные металлы - углеродистая сталь и литейный серый чугун - начинают интенсивно окисляться при невысоких температурах (500 °С), и поэтому для изготовления рекуператоров применяются жаростойкие чугун и сталь, в состав которых входят в качестве легирующих добавок никель, хром, кремний, алюминий, титан и др., которые повышают сопротивляемость металла окалинообразованию.
Конструктивное решение низкотемпературного рекуператора с подогревом воздуха до 300 -- 400 ?С относительно просто. Создание же высокотемпературного рекуператора для подогрева воздуха и газообразного топлива до 700 - 900 °С представляет серьезную техническую задачу, пока еще полностью не решенную. Сложность ее заключается в обеспечении надежной работы рекуператоров в течение длительной эксплуатации при использовании дымовых газов с высокой температурой, несущих взвешенные твердые частицы золы, сажистого углерода, шихты и т. д., что вызывает абразивный износ. При выпадении этих частиц из потока поверхность нагрева рекуператора со стороны газов загрязняется. При запыленном воздухе поверхность нагрева загрязняется и со стороны воздуха. Отдельные трубки трубных пучков рекуператоров, заделанные в трубные доски, работают по ходу газов в разных температурных условиях, по-разному нагреваются и расширяются.
Это различие в расширении труб требует различной их компенсации, что трудно осуществить. На рис. 2 показана удачная конструкция трубчатого рекуператора, поверхность нагрева которого состоит из свободно висящих петель, вваренных в коллекторы (коробки). Рекуператор состоит из двух секций, через которые проходит последовательно воздух навстречу дымовым газам, движущимся поперек трубных пучков. Петлеобразный рекуператор имеет хорошую компенсацию тепловых расширений, что является очень важным условием надежной работы.
Рис. 2. Трубчатый петлеобразный рекуператор для установки на борове (может быть установлен и на своде печи).
На рис. 3 изображена принципиальная схема высокотемпературного радиационного щелевого рекуператора, состоящего из двух стальных цилиндров, образующих концентрический зазор, по которому прогоняется с большой скоростью нагреваемый воздух. Внутри цилиндра движутся раскаленные дымовые газы, лучеиспускающие на поверхность внутреннего цилиндра. Трубчатый рекуператор более надежен в работе, чем щелевой. Преимуществами радиационных рекуператоров являются: меньший расход жаростойкой стали за счет интенсивного лучистого теплообмена в условиях высоких температур газов (800 - 1200 °С) и меньшая чувствительность поверхности нагрева к загрязнениям. После радиационного рекуператора должен быть установлен конвективный рекуператор, так как температура газов после радиационного рекуператора еще очень высока.
Рис. 3. Схемы радиационных стальных рекуператоров.
а - кольцевой (щелевой); б - трубчатый с однорядным экраном.
На рис. 4 показан рекуператор с трубами двойной циркуляции. Холодный воздух сначала проходит через внутренние трубы, а затем через концентрическое пространство труб поступает в коллектор горячего воздуха. Внутренние трубы играют роль косвенной поверхности нагрева.
Трубчатые рекуператоры отличаются большой плотностью и поэтому могут применяться также для подогрева газообразного топлива. Коэффициент теплопередачи может достигать 25 - 40 вт/(м 2 град). Пластинчатые рекуператоры сложнее в изготовлении, менее плотны и долговечны и применяются редко. Рекуператоры, установленные отдельно от печи, занимают некоторое дополнительное место в помещении цеха, во многих случаях это препятствует их применению, однако часто удается удачно расположить рекуператоры на печи или под печью.
Рис. 4. Стальной трубчатый рекуператор с двойной циркуляцией.
Тепло дымовых газов, уходящих из печей, кроме подогрева воздуха и газообразного топлива, может быть использовано в котлах-утилизаторах для выработки водяного пара. В то время как подогретые газ и воздух используются в самом печном агрегате, пар направляется внешним потребителям (для производственных и энергетических нужд).
Во всех случаях следует стремиться к наибольшей регенерации тепла, т. е. к возвращению его в рабочее пространство печи в виде тепла нагретых компонентов горения (газообразного топлива и воздуха). В самом деле, увеличение регенерации тепла ведет к сокращению расхода топлива и к интенсификации и улучшению технологического процесса. Однако наличие рекуператоров или регенераторов не всегда исключает возможность установки котлов-утилизаторов. В первую же очередь котлы-утилизаторы нашли применение в крупных печах с относительно высокой температурой отходящих дымовых газов: в мартеновских сталеплавильных печах, в медеплавильных отражательных печах, во вращающихся печах для обжига цементного клинкера, при сухом способе производства цемента и т. д.
Рис. 5. Газотрубный котел-утилизатор ТКЗ типа КУ-40.
1 - пароперегреватель; 2 - трубная поверхность; 3 - дымосос.
Тепло дымовых газов, отходящих от регенераторов мартеновских печей с температурой 500 -- 650 °С, используется в газотрубных котлах-утилизаторах с естественной циркуляцией рабочего тела. Поверхность нагрева газотрубных котлов состоит из дымогарных труб, внутри которых проходят дымовые газы со скоростью примерно 20 м/сек. Тепло от газов к поверхности нагрева передается путем конвекции, а потому увеличение скорости повышает теплопередачу. Газотрубные котлы просты в эксплуатации, при монтаже не требуют обмуровки и каркасов и обладают высокой газоплотностью.
На рис. 5 показан газотрубный котел Таганрогского завода средней производительности D ср = 5,2 т/ч с расчетом на пропуск дымовых газов до 40000 м 3 /ч. Давление пара, вырабатываемого котлом, равно 0,8 Мн/м 2 ; температура 250 °С. Температура газов до котла 600 °С, за котлом 200 - 250 °С.
В котлах с принудительной циркуляцией поверхность нагрева составляется из змеевиков, расположение которых не ограничивается условиями естественной циркуляции, и поэтому такие котлы компактны. Змеевиковые поверхности изготовляются из труб малого диаметра, например d = 32Ч3 мм, что облегчает вес котла. При многократной циркуляции, когда кратность циркуляции составляет 5 - 18, скорость воды в трубках значительна, не менее 1 м/сек, вследствие чего в змеевиках уменьшается выпадение из воды растворенных солей, а кристаллическая накипь смывается. Тем не менее котлы должны питаться водой, химически очищенной при помощи катионитовых фильтров и других способов водоподготовки, соответствующей нормам питательной воды для обычных паровых котлов.
Рис. 6. Схема котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией.
1 - экономайзерная поверхность; 2 - испарительная поверхность; 3 - пароперегреватель; 4 - барабан-коллектор; 5 - циркуляционный насос; 6 - шламоуловитель; 7 -- дымосос.
На рис. 6 дана схема размещения змеевиковых поверхностей нагрева в вертикальных дымоходах. Движение пароводяной смеси осуществляется циркуляционным насосом. Конструкции котлов подобного типа разработаны Центроэнергочерметом и Гипромезом и изготовляются на расходы дымовых газов до 50 - 125 тыс. м 3 /ч со средней паропроизводительностью от 5 до 18 т/ч.
Стоимость пара составляет 0,4 - 0,5 руб/т вместо 1,2 - 2 руб/т у пара, отобранного из паровых турбин ТЭЦ и 2 - 3 руб/т у пара от промышленных котельных. Стоимость пара составляется из затрат на энергию для привода дымососов, расходов на приготовление воды, амортизацию, ремонт и обслуживание. Скорость газов в котле составляет от 5 до 10 м/сек, что обеспечивает хорошую теплопередачу. Аэродинамическое сопротивление газового тракта составляет 0,5 - 1,5 кн/м 2 , поэтому агрегат должен иметь искусственную тягу от дымососа. Усиление тяги, которым сопровождается установка котлов-утилизаторов, как правило, улучшает работу мартеновских печей. Подобные котлы получили распространение на заводах, но для их хорошей работы требуется защита поверхностей нагрева от заноса пылью и частицами шлака и систематическая очистка поверхностей нагрева от уноса посредством обдувки перегретым паром, промывки водой (при остановках котла), вибрационным путем и др.
Рис. 7. Поперечный разрез котла-утилизатора КУ-80. 1 - испарительная поверхность; 2 - пароперегреватель; 3 - барабан; 4 - циркуляционный насос.
Для использования тепла дымовых газов, отходящих от медеплавильных отражательных печей, устанавливаются водотрубные котлы с естественной циркуляцией (рис. 7). Дымовые газы в этом случае имеют очень высокую температуру (1100 - 1250 °С) и загрязнены пылью в количестве до 100 - 200 г/м 3 , причем часть пыли имеет высокие абразивные (истирающие) свойства, другая часть находится в размягченном состоянии и может шлаковать поверхность нагрева котла. Именно большая запыленность газов и заставляет пока отказываться от регенерации тепла в этих печах и ограничиваться использованием дымовых газов в котлах-утилизаторах.
Передача тепла от газов к экранным испарительным поверхностям протекает очень интенсивно, благодаря чему обеспечивается интенсивное парообразование частицы шлака, охлаждаясь, гранулируются и выпадают в шлаковую воронку, чем исключается шлакование конвективной поверхности нагрева котла. Установка подобных котлов для использования газов с относительно невысокой температурой (500 -- 700 °С) нецелесообразна из-за слабой теплопередачи лучеиспусканием.
В случае оборудования высокотемпературных печей металлическими рекуператорами котлы-утилизаторы целесообразно устанавливать непосредственно за рабочими камерами печей. В этом случае в котле температура дымовых газов понижается до 1000 - 1100 °С. С такой температурой они уже могут быть направлены в жароупорную секцию рекуператора. Если газы несут много пыли, то котел-утилизатор устраивается в виде экранного котла-шлакогранулятора, что обеспечивает сепарацию уноса из газов и облегчает работу рекуператора.
Заключение
По мере увеличения затрат на добычу топлива и производства энергии возрастает необходимость в более полном использовании их при преобразовании в виде горючих газов, тепла нагретого воздуха и воды. Хотя утилизация вторичных энергетических ресурсов нередко связана с дополнительными капитальными вложениями и увеличением численности обслуживающего персонала, опыт передовых предприятий подтверждает, что использование вторичных энергетических ресурсов экономически весьма выгодно.
Список использованной литературы
1. Розенгарт Ю.И. Вторичные энергетические ресурсы черной металлургии и их использование. - К.: " Высшая школа", 2008г. - 328с.
2. Щукин А. А. Промышленные печи и газовое хозяйство заводов. Учебник для вузов. Изд. 2-е, перераб. М., "Энергия", 1973. 224 с. с ил.
3. Хараз Д. И. Пути использования вторичных энергоресурсов в химических производствах / Д. И. Хараз, Б. И. Псахис. - М.: Химия, 1984. - 224 с.
Размещено на Allbest.ru
Описание процесса подготовки твердого топлива для камерного сжигания. Создание технологической схемы производства энергии и тепла. Проведение расчетов материального и теплового баланса котлоагрегата. Методы очистки дымовых газов от оксидов серы и азота.
курсовая работа , добавлен 16.04.2014
Проектирование рекуператора. Расчёт сопротивлений на пути движения воздуха, суммарные потери. Подбор вентилятора. Расчет потерь напора на пути движения дымовых газов. Проектирование борова. Определение количества дымовых газов. Расчет дымовой трубы.
курсовая работа , добавлен 17.07.2010
Теоретические основы абсорбции. Растворы газов в жидкостях. Обзор и характеристика абсорбционных методов очистки отходящих газов от примесей кислого характера, оценка их преимуществ и недостатков. Технологический расчет аппаратов по очистке газов.
курсовая работа , добавлен 02.04.2015
Расчет установки для утилизации тепла отходящих газов от клинкерной печи цементного завода. Скрубберы комплексной обработки уходящих газов. Параметры теплоутилизаторов первой и второй ступеней. Определение экономических параметров проектируемой системы.
курсовая работа , добавлен 15.06.2011
Характеристика дымовых газов. Разработка контура регулирования. Газоанализатор: назначение и область применения, условия эксплуатации, функциональные возможности. Электропневматический преобразователь серии 8007. Регулирующий клапан с пневмоприводом.
курсовая работа , добавлен 22.07.2011
Виды и состав газов, образующихся при разложении углеводородов нефти в процессах ее переработки. Использование установок для разделения предельных и непредельных газов и мобильных газобензиновых заводов. Промышленное применение газов переработки.
реферат , добавлен 11.02.2014
Система менеджмента качества Новокузнецкого алюминиевого завода. Образование газов при электролитическом производстве алюминия. Особенности технологии сухой очистки отходящих газов, типы реакторов, устройства для улавливания фторированного глинозема.
отчет по практике , добавлен 19.07.2015
Выполнение расчета горения топлива с целью определения количества необходимого для горения воздуха. Процентный состав продуктов сгорания. Определение размеров рабочего пространства печи. Выбор огнеупорной футеровки и способа утилизации дымовых газов.
курсовая работа , добавлен 03.05.2009
Описание технологической схемы установки утилизации теплоты отходящих газов технологической печи. Расчет процесса горения, состав топлива и средние удельные теплоемкости газов. Расчет теплового баланса печи и ее КПД. Оборудование котла-утилизатора.
курсовая работа , добавлен 07.10.2010
Расчет горения смеси коксового и природного газов по заданным составам. Теплота сгорания топлива. Процесс нагрева металла в печах, размеры рабочего пространства. Коэффициент излучения от продуктов сгорания на металл с учетом тепла, отраженного от кладки.
Труды Инсторфа 11 (64)
УДК 622.73.002.5
Горфин О.С. Gorfin O.S.
Горфин Олег Семенович, к. т. н., проф. кафедры торфяных машин и оборудования Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. [email protected] Gorfin Oleg S., PhD, Professor of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University. Tver, Academicheskaya, 12
Зюзин Б.Ф. Zyuzin B.F.
Зюзин Борис Федорович, д. т. н., проф., зав. кафедрой торфяных машин и оборудования ТвГТУ [email protected] Zyuzin Boris F., Dr. Sc., Professor, Head of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University
Михайлов А.В. Mikhailov A.V.
Михайлов Александр Викторович, д. т. н., профессор кафедры машиностроения, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Ленинский пр., д. 55, корп. 1, кв. 635. [email protected] Mikhailov Alexander V., Dr. Sc., Professor of the Chair of Machine Building of the National Mining University, St. Petersburg, Leninsky pr., 55, building 1, Apt. 635
УСТРОЙСТВО THE DEVICE FOR DEEP
ДЛЯ ГЛУБОКОЙ UTILIZATION OF HEAT
УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА OF COMBUSTION GASES
ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА OF SUPERFICIAL TYPE
Аннотация. В статье рассмотрена конструкция теплоутилизатора, в которой изменен способ передачи утилизированной тепловой энергии от теплоносителя среде, воспринимающей теплоту, позволяющая утилизировать теплоту парообразования влаги топлива при глубоком охлаждении дымовых газов и полностью ее использовать на нагрев охлаждающей воды, направляемой без дополнительной обработки на нужды паротурбинного цикла. Конструкция позволяет в процессе утилизации теплоты осуществлять очистку дымовых газов от серной и сернистой кислот, а очищенный конденсат использовать в качестве горячей воды. Abstract. The article describes the design of heat exchanger, in which new method is used for transmitting of recycled heat from the heat carrier to the heat receiver. The construction allows to utilize the heat of the vaporization of fuel moisture while the deep cooling of flue gases and to fully use it for heating the cooling water allocated without further processing to the needs of steam turbine cycle. The design allows purifying of waste flue gases from sulfur and sulphurous acid and using the purified condensate as hot water.
Ключевые слова: ТЭЦ; котельные установки; теплоутилизатор поверхностного типа; глубокое охлаждение дымовых газов; утилизация теплоты парообразования влаги топлива. Key words: Combined heat and power plant; boiler installations; heat utilizer of superficial type; deep cooling of combustion gases; utilization of warmth of steam formation of fuel moisture.
Труды Инсторфа 11 (64)
В котельных тепловых электростанций энергия парообразования влаги т оплива вместе с дымовыми газами выбрасывается в атмосферу.
В газифицированных котельных потери теплоты с уходящими дымовыми газами могут достигать 25%. В котельных, работающих на твердом топливе, потери теплоты еще выше.
На технологические нужды ТБЗ в котельных сжигается фрезерный торф влажностью до 50%. Это значит, что половину массы топлива составляет вода, которая при сгорании превращается в пар и потери энергии на парообразование влаги топлива достигают 50%.
Уменьшение потерь тепловой энергии - это не только вопрос экономии топлива, но и снижение вредных выбросов в атмосферу.
Сокращение потерь тепловой энергии возможно при использовании теплоутилизаторов различных конструкций.
Конденсационные теплоутилизаторы, в которых охлаждение дымовых газов осуществляется ниже точки росы, позволяют утилизировать скрытую теплоту конденсации водяных паров влаги топлива.
Наибольшее распространение получили контактные и поверхностные теплоутилизаторы. Контактные теплообменники широко распространяются в промышленности и энергетике в связи с простотой конструкции, малой металлоемкостью и высокой интенсивностью теплообмена (скрубберы, градирни). Но они имеют существенный недостаток: происходит загрязнение охлаждающей воды вследствие ее контакта с продуктами сгорания - дымовыми газами.
В этом отношении более привлекательны поверхностные теплоутилизаторы, не имеющие непосредственного контакта продуктов сгорания и охлаждающей жидкости, недостатком которых является сравнительно низкая температура ее нагрева, равная температуре мокрого термометра (50...60 °С).
Достоинства и недостатки существующих теплоутилизаторов широко освещены в специальной литературе .
Эффективность поверхностных теплоутилизаторов можно существенно повысить, изменив способ теплообмена между средой, отдающей теплоту и ее воспринимающей, как это сделано в предлагаемой конструкции теплоутилизатора .
Схема теплоутилизатора для глубокой утилизации тепла дымовых газов показана
на рисунке. Корпус 1 теплоутилизатора опирается на основание 2. В средней части корпуса установлен изолированный резервуар 3 в виде призмы, заполненный предварительно очищенной проточной водой. Вода поступает сверху через патрубок 4 и удаляется в нижней части корпуса 1 насосом 5 через шибер 6.
С двух торцевых сторон резервуара 3 расположены изолированные от средней части рубашки 7 и 8, полости которых через объем резервуара 3 соединены между собой рядами горизонтальных параллельных труб, образующих пучки труб 9, в которых газы перемещаются в одну сторону. Рубашка 7 разделена на секции: нижнюю и верхнюю одинарные 10 (высотой h) и остальные 11 - двойные (по высоте 2h); рубашка 8 имеет секции только двойные 11. Нижняя одинарная секция 10 рубашки 7 пучком труб 9 соединена с нижней частью двойной секции 11 рубашки 8. Далее верхняя часть этой двойной секции 11 рубашки 8 пучком труб 9 соединена с нижней частью следующей двойной секции 11 рубашки 7 и так далее. Последовательно верхняя часть секции одной рубашки соединена с нижней частью секции второй рубашки, а верхняя часть этой секции соединена пучком труб 9 с нижней частью следующей секции первой рубашки, образуя, таким образом, змеевик переменного сечения: пучки труб 9 периодически чередуются объемами секций рубашек. В нижней части змеевика расположен патрубок 12 - для подвода дымовых газов, в верхней части - патрубок 13 для выхода газов. Патрубки 12 и 13 соединены между собой байпасным газоходом 4, в котором установлен шибер 15, предназначенный для перераспределения части горячих дымовых газов в обход теплоутилизатора в дымовую трубу (на рисунке не показана).
Дымовые газы поступают в теплоутилизатор и разделяются на два потока: в нижнюю одинарную секцию 10 (высотой h) рубашки 7 поступает основная часть (около 80%) продуктов сгорания и по трубам пучка 9 направляется в змеевик теплоутилизатора. Остальная часть (около 20%) поступает в байпасный газоход 14. Перераспределение газов производится для повышения температуры остывших дымовых газов за теплоутилизатором до 60-70 °С с целью предотвращения возможной конденсации остатков паров влаги топлива в хвостовых участках системы.
Дымовые газы подводятся к теплоутилизатору снизу через патрубок 12, а удаляются в
Труды Инсторфа 11 (64)
Рисунок. Схема теплоутилизатора (вид А - соединение труб с рубашками) Figure. The scheme of the heatutilizer (a look A - connection of pipes with shirts)
верхней части установки - патрубок 13. Предварительно подготовленная холодная вода заполняет резервуар сверху через патрубок 4, а удаляется насосом 5 и шибером 6, расположенными в нижней части корпуса 1. Противоток воды и дымовых газов повышает эффективность теплообмена.
Перемещение дымовых газов через теплоутилизатор осуществляется технологическим дымососом котельной. Для преодоления дополнительного сопротивления, создаваемого теплоутилизатором, возможна установка более мощного дымососа. При этом следует иметь в виду, что дополнительное гидравлическое сопротивление частично преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания в связи с конденсацией водяного пара дымовых газов.
Конструкция теплообменника обеспечивает не только эффективную утилизацию теплоты парообразования влаги топлива, но и удаление образующегося конденсата из потока дымовых газов.
Объем секций рубашек 7 и 8 больше объема соединяющих их труб, поэтому скорость газов в них снижается.
Дымовые газы, поступающие в теплоутилизатор, имеют температуру 150-160 °С. Серная и сернистая кислоты конденсируются при температуре 130-140 °С, поэтому конденсация кислот происходит в начальной части змеевика. При снижении скорости газового потока в расширяющихся частях змеевика -секциях рубашки и увеличении плотности конденсата серной и сернистой кислот в жидком состоянии по сравнению с плотностью в газообразном состоянии, многократном изменении направления движения потока дымовых газов (инерционная сепарация) конденсат кислот выпадает в осадок и вымывается из газов частью конденсата водяных паров в конденсатосборник кислот 16, откуда при срабатывании затвора 17 удаляется в промышленную канализацию.
Большая часть конденсата - конденсат водяных паров выделяется при дальнейшем понижении температуры газов до 60-70 °С в верхней части змеевика и поступает в конденсатосборник влаги 18, откуда без дополнительной обработки может использоваться в качестве горячей воды.
Труды Инсторфа 11 (64)
Трубы змеевика необходимо изготавливать из антикоррозийного материала или с внутренним антикоррозийным покрытием. Для предотвращения коррозии все поверхности теплоутилизатора и соединительных трубопроводов следует гуммировать.
В данной конструкции теплоутилизатора дымовые газы, содержащие пары влаги топлива, перемещаются по трубам змеевика. Коэффициент теплоотдачи при этом составляет не более 10 000 Вт/(м2 °С), за счет чего резко повышается эффективность теплообмена. Трубы змеевика находятся непосредственно в объеме охлаждающей жидкости, поэтому теплообмен происходит постоянно контактным способом. Это позволяет осуществить глубокое охлаждение дымовых газов до температуры 40-45 °С, причем вся утилизированная теплота парообразования влаги топлива передается охлаждающей воде. Охлаждающая вода не контактирует с дымовыми газами, поэтому может без дополнительной обработки использоваться в паротурбинном цикле и потребителями горячей воды (в системе горячего водоснабжения, подогрев обратной сетевой воды, технологические нужды предприятий, в тепличных и парниковых хозяйствах и т. д.). В этом главное достоинство предлагаемой конструкции теплоутилизатора.
Преимуществом предлагаемого устройства является также то, что в теплоутилизаторе регулируется время передачи теплоты от среды горячих дымовых газов охлаждающей жидкости, а следовательно ее температуры, изменением расхода жидкости с помощью шибера.
Для проверки результатов использования теплоутилизатора произведены тепло-техниче-ские расчеты котельной установки паропроизводительностью котла 30 т пара/ч (температура 425 °С, давление 3,8 МПа). В топке сжигается 17,2 т/ч фрезерного торфа влажностью 50% .
В торфе влажностью 50% содержится 8,6 т/ч влаги, которая при сжигании торфа переходит в дымовые газы.
Расход сухого воздуха (дымовых газов)
Gfl. г. = а х L х G,^^ = 1,365 х 3,25 х 17 200 = 76 300 кГ д. г. / ч,
где L = 3,25 кГ сух. г /кГ торфа - теоретически необходимое количество воздуха для горения; а =1,365 - средний коэффициент подсоса воздуха.
1. Теплота утилизации дымовых газов Энтальпия дымовых газов
J = ссм х t + 2,5 d, ^ж/кГ. сух. газ,
где ссм - теплоемкость дымовых газов (теплоемкость смеси), ^ж/кГ °К, t - температура газов, °К, d- влагосодержание дымовых газов, Г. влаги/кГ. д. г.
Теплоемкость смеси
ссМ = сг + 0,001dcn,
где сг, сп - теплоемкость соответственно сухого газа (дымовых газов) и пара.
1.1. Дымовые газы на входе в теплоутилизатор температурой 150 - 160 °С, принимаем Ц. г. = 150 °С; сп = 1,93 - теплоемкость пара; сг = 1,017 - теплоемкость сухих дымовых газов при температуре 150 °С; d150, Г/кГ. сух. г - влагосодержание при 150 °С.
d150 = GM./Gfl. г. = 8600 /76 300 х 103 =
112,7 Г/кГ. сух. г,
где Gвл. = 8600 кГ/ч - масса влаги в топливе. ссм =1,017 + 0,001 х 112,7 х 1,93 = 1,2345 ^ж/кГ.
Энтальпия дымовых газов J150 = 1,2345 х 150 + 2,5 х 112,7 = 466,9 ^ж/кГ.
1.2. Дымовые газы на выходе из теплоутилизатора температурой 40 °С
ссм = 1,017 + 0,001 х 50 х 1,93 = 1,103 ^ж/кГ °С.
d40 =50 Г/кГ сух г.
J40 = 1,103 х 40 + 2,5 х 50 = 167,6 ^ж/кГ.
1.3. В теплоутилизаторе 20% газов проходят по байпасному газоходу, а 80% - через змеевик.
Масса газов, проходящая через змеевик и участвующая в теплообмене
GзМ = 0,8Gfl. г. = 0,8 х 76 300 = 61 040 кГ/ч.
1.4. Теплота утилизации
Отл = (J150 - J40) х ^м = (466,9 - 167,68) х
61 040 = 18,26 х 106, ^ж/ч.
Эта теплота затрачивается на нагрев охлаждающей воды
Qx™= W х св х (t2 - t4),
где W- расход воды, кГ/ч; св = 4,19 ^ж/кГ °С -теплоемкость воды; t 2, t4 - температура воды
Труды Инсторфа 11 (64)
соответственно на выходе и входе в теплоутилизатор; принимаем tx = 8 °С.
2. Расход охлаждающей воды, кГ/с
W=Qyra /(св х (t2 - 8) = (18,26 / 4,19) х 106 / (t2 - 8)/3600 = 4,36 х 106/ (t2 -8) х 3600.
Используя полученную зависимость, можно определить расход охлаждающей воды необходимой температуры, например:
^, °С 25 50 75
W, кГ/с 71,1 28,8 18,0
3. Расход конденсата G^^ составляет:
^онд = GBM(d150 - d40) = 61,0 х (112,7 - 50) =
4. Проверка возможности конденсации остатков влаги парообразования топлива в хвостовых элементах системы.
Среднее влагосодержание дымовых газов на выходе из теплоутилизатора
^р = (d150 х 0,2 Gд. г. + d40 х 0,8 Gд. г.) / GA г1 =
112,7 х 0,2 + 50 х 0,8 =62,5 Г/кГ сух. г.
По J-d-диаграмме этому влагосодержанию соответствует температура точки росы, равная tp. р. = 56 °С.
Фактическая температура дымовых газов на выходе из теплоутилизатора равна
tcjmKT = ti50 х 0,2 + t40 х 0,8 = 150 х 0,2 + 40 х 0,8 = 64 °С.
Так как фактическая температура дымовых газов за теплоутилизатором выше точки росы, конденсации паров влаги топлива в хвостовых элементах системы происходить не будет.
5. Коэффициент полезного действия
5.1. Коэффициент полезного действия утилизации теплоты парообразования влаги топлива.
Количество теплоты, подведенное к теплоутилизатору
Q^h = J150 х Gft г = 466,9 х 76 300 =
35,6 х 106, М Dж/ч.
КПДутл. Q = (18,26 /35,6) х 100 = 51,3%,
где 18,26 х 106, МDж /ч - теплота утилизации парообразования влаги топлива.
5.2. Коэффициент полезного действия утилизации влаги топлива
КПДутл. W = ^конд / W) х 100 = (3825 / 8600) х 100 = 44,5%.
Таким образом, предлагаемый теплоутилизатор и способ его работы обеспечивают глубокое охлаждение дымовых газов. За счет конденсации паров влаги топлива резко повышается эффективность теплообмена между дымовыми газами и охлаждающей жидкостью. При этом вся утилизированная скрытая теплота парообразования передается для нагрева охлаждающей жидкости, которая без дополнительной обработки может использоваться в паротурбинном цикле.
В процессе работы теплоутилизатора происходит очистка дымовых газов от серной и сернистой кислот, в связи с чем конденсат паров может использоваться для горячего теплоснабжения.
Расчеты показывают, что коэффициент полезного действия составляет:
При утилизации теплоты парообразования
влаги топлива - 51,3%
Влаги топлива - 44,5%.
Список литературы
1. Аронов, И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. - Л.: Недра, 1990. - 280 с.
2. Кудинов, А.А. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. - М.: Машиностроение, 2011. - 373 с.
3. Пат. 2555919 (RU).(51) МПК F22B 1|18 (20006.01). Теплоутилизатор для глубокой утилизации тепла дымовых газов поверхностного типа и способ его работы /
О.С. Горфин, Б.Ф. Зюзин // Открытия. Изобретения. - 2015. - № 19.
4. Горфин, О.С., Михайлов, А.В. Машины и оборудование по переработке торфа. Ч. 1. Производство торфяных брикетов. - Тверь: ТвГТУ 2013. - 250 с.
