Теплоутилизационное оборудование энергетических установок

Основными потребителями углеводородного топлива в виде природного газа и мазута на предприятии являются технологические печи. Работа такой печи характеризуется несколькими показателями. В качестве показателей используют коэффициент полезного действия печи (КПД) и коэффициент использования топлива (КИТ). Как правило, КИТ составляет 80-90%, в то время как КПД обычно не превышает 50%.

Высокое значение КИТ обусловлено тем, что технология сжигания топлива, применяемая в современных топках, обеспечивает практически полное количественное его сгорание.

В то же время большие потери тепла с уходящими дымовыми газами (50 –70%) и через стенки камеры сгорания (10%) ответственны за низкое значение КПД печи в целом.

Как известно, при сжигании топлива образуются продукты сгорания с высокой температурой. При этом часто в непосредственной близости от печи – источника тепла – возникает задача нагрева некоторых веществ или продуктов. Для решения возникшей задачи представляется вполне естественным использовать теплоту продуктов сгорания.

С целью повышения эффективности использования топлива за счет утилизации тепла продуктов его сгорания широкое применение в промышленности получили различные типы теплоутилизационных аппаратов и установок. Ими снабжены практически все современные модели паровых и водонагревательных котлов.

Классификация теплоутилизационных установок

Теплоутилизационные установки различают по потребителю тепла, способу его передачи и по виду. Отметим, что существует огромное множество конструкций теплоутилизационных установок. Рассмотрим их классификацию.

По потребителю тепла

• самой печью, за счет возврата части тепла для нагрева поступают топливно-воздушной смеси;

• за счет других потребителей.

По способу передачи тепла

• путем теплопередачи через стенку;

• с использованием специальных теплоносителей или агентов;

• непосредственной теплоотдачей при соприкосновении горячих и холодных потоков;

• комбинированный (одновременно включает несколько способов).

По видам

• регенераторы;

• котлы-утилизаторы;

• теплообменники;

• контактные экономайзеры;

• тепловые насосы.

Рассмотрим более подробно классификацию теплоутилизационных аппаратов по способу передачи тепла.

(1) Часто при решении задачи утилизации тепла потоков путем передачи тепла от одного потока к другому по технологии не допускается смешение нагревающего и нагреваемого потоков газов или жидкостей, из-за возможности, например, их химического взаимодействия. В этом случае теплопередачу между потоками осуществляют через стенку при помощи специальных аппаратов, называемых теплообменниками.

(2) Иногда теплопередача от одного технологического потока к другому через стенку невозможна по каким-то причинам. Под этот случай подпадают следующие технологические потоки: имеющие слишком большую разность температур, нагреваемый поток имеет низкую термическую устойчивость, высокую агрессивность. Преодолеть возникающие трудности можно, разделяя потоки специальным тепловым агентом (теплоноситель), который обладает достаточной термоустойчивостью и/или химической активностью. Недостатком такого способа теплопередачи является появление дополнительных потерь тепла за счет использования 2-х разделительных стенок по схеме: нагревающий поток – стенка – теплоноситель – стенка –нагреваемый поток.

(3) Непосредственная теплопередача при соприкосновении горячего и холодного потоков используется либо в случае образования легко отделяющихся гетерогенных систем, например, газ – твердое тело, газ-жидкость, либо когда по техническим и прочим условиям и требованиям допускается смешивать жидкость с жидкостью или газ с газом.

Регенератор – это технологический аппарат, предназначенный для нагрева воздуха и представляющий собой камеру, футерованную огнеупорным материалом и заполненную огнеупорной керамической насадкой. Принцип работы: в регенератор попеременно подают либо дымовые газы, либо воздух. Горячие дымовые газы нагревают насадку и стенки регенератора, которые отдают тепло поступающему холодному воздуху. С целью обеспечения непрерывности процесса регенераторы используют парами: один – на нагрев, другой – на охлаждение.

Котел-утилизатор предназначен для утилизации тепла путем нагрева воды и выработки водяного пара. Конкретный пример использования котла-утилизатора будет рассмотрен в главе 12.

Теплообменник – это технологический аппарат для утилизации тепла газов за счет теплопередачи его через стенку газообразному или жидкому теплоносителю. Эти аппараты широко распространены на предприятиях ТЭК. С использованием теплообменников осуществляют следующие технологические процессы: нагрев –- охлаждение, испарение – конденсация, плавление – кристаллизация. Поток вещества, используемый в теплообменнике для нагрева, называется теплоносителем, а для охлаждения – хладоагентом.

Наиболее часто в качестве теплоносителя используют продукты сгорания углеводородного топлива или водяной пар, а в качестве хладоагента – воду.

Отличие теплообменника от котла-утилизатора состоит в том, что при работе теплообменника с водой в качестве хладоагента отсутствует фазовый переход вода – водяной пар.

Некоторые теплообменные аппараты исторически имеют собственные названия: теплообменник, встроенный внутрь технологической печи, называют рекуператором; теплообменник для нагрева воздуха – калорифером.

Наиболее распространенные схемы утилизации тепла с помощью теплообменников приведены на рис. 6.4.

Рис. 6.4 Схемы применения теплообменника

Н - наружный теплообменник, В - внутренний теплообменник

продукты сгорания (теплоноситель), - вода (хладоагент)

Контактный экономайзер – это технологический аппарат, который служит для утилизации тепла продуктов сгорания топлива в результате непосредственного (прямого) контакта их с водой. Схема контактного водяного экономайзера приведена на рис. 6.5, из которой видно, что горячие продукты сгорания (ПС) орошаются холодной специально подготовленной водой, не содержащей СО₂. Для улучшения теплообмена при контакте ПС с водой его проводят на специальной насадке, например, кольцах Рашига. В результате работы экономайзера тепло отходящих продуктов сгорания отбирается потоком воды. Дополнительное количество тепла утилизируют за счет протекания конденсации паров воды, содержащихся в продуктах сгорания углеводородного топлива. На выходе из экономайзера нагретая вода в теплообменнике отдает свое тепло теплоносителю (Т). При этом коэффициент использования топлива в системе котел-экономайзер по сравнению с котлом возрастает на 10 – 15%.

Рис.6.5 Схема контактного экономайзера

1– контактный экономайзер, 2 – горячие ПС из топки, 3 – охлажденные ПС,

4 – горячая В, 5 – холодная В из теплообменника, 6 – теплообменник противоточного типа «труба в трубе», 7 – циркуляционный водяной насос, ПС – продукты сгорания топлива, В – вода, Т – теплоноситель.

При утилизации продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м³ метана в экономайзере, удается получить около 1,6 кг водяного конденсата. По своим физико-химическим характеристикам конденсат представляет собой синтетическую воду, не содержащую растворенные соли. Например, в котельной ООО «Оренбурггазпром» дымовые газы от трех котлов направляются в контактный экономайзер, который служит для нагрева 50 т/ч воды с 25 до 75°С. При этом удается сконденсировать из дымовых газов около 70% синтетической воды –продукта реакции горения природного газа.

Расчетная экономия теплоты составляет около 5000 (5·10¹²) ГДж, что эквивалентного теплоте сгорания 1,5 млн. м3 природного газа.

Таким образом, работа контактных экономайзеров осуществляется на синтетической воде, что дает дополнительный экономический эффект за счет экономии затрат на проведение водоподготовительных работ (обессоливание, умягчение и т.д.). Преимущество экономайзера в сравнении с теплообменником состоит в более высоком КПД, поскольку помимо тепла газообразных продуктов сгорания в нем используется теплота фазового перехода «водяной пар-вода».

Основный недостаток экономайзера - получаемая горячая вода содержит значительное количество растворенных продуктов сгорания топлива, прежде всего СО₂, а также воздуха и некоторых других (NO_X, SO₂). Поэтому горячую воду из экономайзера перед использованием в сетях горячего водоснабжения требуется дегазировать.

Тепловой насос – это теплоутилизационный аппарат, использующий теплоту фазового перехода пар-жидкость (например, водяной пар - вода). Рассмотрим работу простейшего теплового насоса, представленного на рис.6.6. Тепловой насос (ТН) представляет собой конструкцию типа «труба в трубе» и состоит из корпуса 1, внутри которого имеется стакан 2. Расстояние между стенкой корпуса и стенкой стакана должно обеспечивать сток конденсата.

Рис.6.6 Схема теплового насоса

1 - корпус насоса; 2 - внутренний стакан

вода; пар.

Насос герметично закрыт и внутри него находится вода при давлении, существенно меньше атмосферного (в вакууме). При нагреве дна насоса пары воды поднимаются вверх по центральной части стакана и переносят определенную порцию тепла. Достигнув холодной зоны, пары конденсируются и образующаяся вода под действием гравитационных сил стекает на дно насоса большей частью по зазору между корпусом и стаканом.

Очевидно, что количество тепла, перекаченного снизу вверх тепловым насосом определяется теплотой фазового перехода вода - водяной пар (∆Н_ФП. 9,6 ккал/моль).

Необходимым условием эффективной и устойчивой работы насоса является его вертикальное положение, благодаря которому обеспечивается возврат воды в зону нагрева.