Утилизация теплоты низкотемпературных дымовых газов

Проблему эффективного использования теплоты отходящих газов энергетических котлов и промышленных печей можно решить путем установки за ними контактных теплообменников с активной насадкой – КТАНов [10].

Разработана конструкция КТАНов производительностью 5,8-17,4 МВт для установки их за печами в агрегатах синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут, и за крупными энергетическими котлами. Особенности КТАНов – организация двух потоков воды: чистой, подогреваемой через теплообменную поверхность (рис. 6.2), и воды, нагревающейся в результате непосредственного контакта с газами.

При этом увеличивается теплоотдача от газов к воде за счет теплообмена стекающей воды и конденсация водяных паров, содержащихся в газе. Температура нагреваемой воды в КТАНах ограничена температурой мокрого термометра дымовых газов. При сжигании газов с a = 1,0-1,5 температура мокрого термометра составляет около 80 °С. Недостатком такой конструкции является ненадежность работы распылителя при длительной эксплуатации вследствие засорения форсунок.

Для котлов ДЕ-25-ГМ разработаны контактные экономайзеры (рис. 6.3) с керамической насадкой (агрегат АЭ-0,6). Газы из котла поступают в контактный экономайзер в количестве 70 % от общего объема, а 30 % газов подаются мимо экономайзера. В контактном теплообменнике подогревают либо подпиточную воду, либо воду для систем горячего водоснабжения.

Рис. 6.2. Контактный теплообменник с активной насадкой:

1 – корпус; 2 – теплообменная поверхность; 3 – циркуляционный насос;

4 – распылитель; 5 – каплеуловитель

 

 

Рис. 6.3. Контактный теплообменник с керамической насадкой:

1 – корпус; 2 – насадка из керамических колец Рашига; 3 – теплообменная поверхность;
4 – циркуляционный насос; 5 – распылитель

Достоинства контактного теплообменника:

1. Используется скрытая теплота конденсации водяных паров, при этом КПД возрастет до 95-96 %. При сжигании 1 м³ топлива дополнительно выделяется

кДж/м³. (6.13)

2. Происходит естественная деаэрация воды. Концентрация кислорода в воде снижается с 5-8 мг/л до 0,12 мг/л, правда, увеличивается концентрация СО₂ в воде.

3. Возможен нагрев жестких вод без предварительного умягчения. Практически испарение воды отсутствует, поэтому СаSО₄ и МgSO₄ не выпадают. Увеличение концентрации СО₂ приводит к растворению образовавшихся и выпавших в осадок карбонатов из-за смещения равновесной реакции вправо: .

4. Контактные аппараты имеют малую металлоемкость из-за высоких значений коэффициентов теплоотдачи.

Особенности процессов контактного тепломассообмена

1. Температура воды ограничена значением t_м, после чего происходит только ее испарение.

2. Процесс охлаждения продуктов сгорания водой сопровождается взаимным массообменном за счет испарения либо конденсации воды.

3. Высокое значение коэффициентов теплопередачи.

4. Величина поверхности теплообмена зависит от гидродинамики потоков газа и жидкостей.

Выделяют следующие режимы работы насадки в зависимости от плотности орошения и скорости потока газа (рис. 6.4).

I – пленочный режим (ламинарный). Вода стекает в виде пленок, поверхность смочена не вся, интенсивность тепломассообмена низка. Точка Т – точка торможения газа, в ней пленочный режим переходит в (II) – струйно-пленочный. Аэродинамическое сопротивление насадки возрастает более резко, поверхность насадки смочена полностью. Точка П – точка начала подвисания. На нижних кольцах образуется сплошной слой воды, через который барботирует газ. Пленка на поверхности колец интенсивно турбулизируется. Точка И – точки инверсии. Вода становится сплошным потоком, газ – дисперсными. Пузыри газа проходят через слой воды, процессы тепломассообмена интенсифицируются. Режим IV – режим эмульгирования – это фактически жидкостный кипящий слой с насадкой. Это наиболее выгодный режим в контактных аппаратах. Точка З – точка захлебывания, после нее сопротивление насадки становится настолько большим, что вода выносится из насадки, и крупные пузыри газа уносят капли воды. Интенсивность тепломассообмена между газом и водой резко падает. Таким образом, оказывается, что контактные аппараты надежно работают в достаточно узком диапазоне скоростей. Доля активной поверхности y_а конвективного теплообмена зависит от соотношения чисел Рейнольдса по газу и по жидкости [11]. При доля активной поверхности составляет , при , в процессе теплообмена участвует вся поверхность.

 

Рис. 6.4. Режимы работки насадки

6.3. Расчет контактного экономайзера

Задан состав газа, т. е. объемы продуктов сгорания и теплота сгорания: . Рассчитывают теоретический объем сухих газов и при известном коэффициенте избытка воздуха массовое количество сухих продуктов сгорания, образовавшихся при сжигании единицы топлива . При известном содержании водяных паров в продуктах сгорания определяют исходное влагосодержание в продуктах сгорания, кг/кг:

, (6.14)

и при известной температуре продуктов сгорания t_г их энтальпию I_г, кДж/кг:

. (6.15)

Для приближенного определения исходного влагосодержания в продуктах сгорания природного газа может быть использована формула Семенюка [7, 8], которая дает удовлетворительное совпадение с результатами точных расчетов:

, (6.16)

где d₀ – влагосодержание дутьевого воздуха, кг/кг.

Далее задаются температурой уходящих из контактного экономайзера газов t_ух и, считая, что водяные пары находятся в состоянии насыщения, по таблицам воды и водяного пара определяют соответствующее парциальное давление насыщенных водяных паров. При определенном таким образом давлении насыщения р_н по формуле (14.17) рассчитывают влагосодержание в продуктах сгорания, уходящих из контактного экономайзера, d_ух и энтальпию продуктов сгорания I_ух, кДж/кг:

. (6.17)

При известном расходе топлива на котел B массовый расход сухих продуктов сгорания составит , тогда теплота, отданная газами в контактной насадке, может быть рассчитана как

. (6.18)

Тот же самый поток теплоты передается циркулирующей с расходом М_ц воде в контактном экономайзере и образовавшемуся конденсату М_к:

. (6.19)

где t_м и t_ор – температура мокрого термометра, до которой подогревается вода в контактной насадке, и температура орошающей воды, до которой она остывает, отдавая теплоту трубчатому теплообменнику; с_в - массовая теплоемкость воды.

Расход образовавшегося конденсата представляет собой произведение массового расхода сухих продуктов сгорания на изменение влагосодержания:

. (6.20)

Уравнение теплопередачи для процесса теплообмена в контактной насадке имеет следующий вид

, (6.21)

где F_н – площадь поверхности теплообмена насадки, м²; a_о – объемный коэффициент теплоотдачи в насадке, кВт/(м³×К); S – удельная поверхность (для колец Рашига м²/м³), м²/м³; V – объем насадки, м³; ∆t – температурный напор в насадке: , где и .

Объемный коэффициент теплоотдачи a_о рассчитывается по следующим выражениям [5]: при соотношении , где q_ж, кг/(м²·с) - плотность орошения (отношение расхода циркулирующей воды к площади сечения аппарата с учетом его загромождения); при .

Тот же самый расход теплоты передается нагреваемой воде:

, (6.22)

где М_в - расход подогреваемой воды, кг/с; t'_в, t''_в – температуры воды на входе и на выходе из поверхностного теплообменника, ºС.

Требуемая поверхность теплообменника для подогрева воды находится из уравнения теплопередачи

, (6.23)

где k_п – коэффициент теплопередачи к поверхностному теплообменнику, Вт/(м²×К); F_п – площадь поверхности теплообмена, м²; ∆t_п – температурный напор: , где и .

При конденсации водяных паров КПД следует рассчитывать по высшей теплоте сгорания, определенной с учетом теплоты конденсации водяных паров , где теплота конденсации рассчитывается по выражению (6.13). Тогда выражение для потери теплоты с уходящими газами будет иметь следующий вид:

, (6.24)

где m_с.в - массовое количество сухого воздуха, рассчитанное на один кубометр сожженного природного газа, кг/м³; I_с.в - энтальпия сухого воздуха, рассчитанная на 1 килограмм сухого воздуха, кДж/кг.

Поверхностные теплообменники

Пример применения конденсационного поверхностного теплообменника для повышения эффективности использования природного газа в котельных установках показан на рис. 6.5.

Рис. 6.5. Пример применения рекуперативного теплообменника для повышения эффективности использования топлива в котельной установке: 1 – котел; 2 – водяной экономайзер; 3 – деаэратор; 4 - кожухотрубный теплообменник; 5 - система ХВО;

6 – конденсационный теплообменник-утилизатор; 7 – сборник конденсата;

8 – гидравлический затвор, 9 – каплеотделитель, 10 – дымосос; 11 - сборный конденсатный бак; 12 - дымовая труба; 13 - редукционная установка; 14 – байпасный газоход; 15 - основной газоход; 16 – трубопровод выпара

Продукты сгорания природного газа после котла 1 проходят водяной экономайзер 2, охлаждаются до температуры 135÷150°С и затем разделяются на два потока. Приблизительно 70¸80% газов направляется по главному газоходу 15 и поступает в конденсационный теплоутилизатор 6 поверхностного типа, остальные газы - в байпасный газоход 14. В теплоутилизаторе 6 продукты сгорания охлаждаются сырой водой до 35¸40°С, при этом происходит конденсация части содержащихся в них 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 9 смешиваются с проходящими по байпасному газоходу 14 неохлажденными продуктами сгорания и при температуре 65¸70 °С отводятся дымососом 10 через дымовую трубу в атмосферу. Подогретая в конденсационном теплоутилизаторе 6 вода последовательно проходит через систему химводоочистки 5, кожухотрубный теплообменник 4, термический деаэратор 3, водяной экономайзер 2 и подается на подпитку в паровой котел 1.

Подача по трубопроводу 16 выпара деаэратора 3 в основной газоход 15 к теплообменнику-утилизатору 6 позволяет дополнительно интенсифицировать теплообмен за счет конденсации выпара и орошения поверхности теплообменника. Через гидравлический затвор 8 конденсат выпара совместно с конденсатом продуктов сгорания поступает в сборник 7 и отводится в сборный конденсатный бак 11.

Суммарная экономия энергии определяется снижением температуры уходящих газов, конденсацией из них водяных паров, утилизацией теплоты выпара деаэратора.

Частичное байпасирование горячих газов используется для предупреждения конденсации водяных паров в газоходах и дымовой трубе (рис. 6.5). Из рис. 6.6 видно, что разделение на два потока уходящих из котла газов, имеющих температуру t₁ (точка 1), позволяет путем охлаждения и осушения одного из них в конденсационном теплообменнике до t₂ (точка 2) иметь после смешения (точка 3) более низкие значения температуры t₃, влагосодержания d₃ и температуры точки росы t_р.

Особенностью процессов глубокого охлаждения парогазовых смесей является изменение их количества вследствие конденсации части водяных паров. Процессы теплопередачи в подобных теплообменниках, как показывают экспериментальные исследования А. Кудинова [7], протекают более интенсив-но, чем при «сухом» теплообмене. Для определения конструктивных размеров конденсационного теплообменника-утилизатора можно использовать следую-щее соотношение [6]:

Nu=4,55 Re^0,315 K^0,388 Pr^0,67. (6.25)

Влияние конденсации в данном выражении учитывается числом орошения , где q_ж – плотность орошения наружной поверхности теплообменника, кг/(м²·с); d – внешний диаметр ребристой трубки, м; μ – коэффициент динамической вязкости продуктов сгорания, Па·с. При вычислении чисел Nu и Re за определяющий линейный размер принят внешний диаметр трубы, а скорость потока отнесена к самому узкому поперечному сечению теплообменника (канала). Определяющей температурой является средняя температура продуктов сгорания. Для того чтобы рассчитать коэффициент теплоотдачи по выражению (6,24) следует определить количество полученного конденсата по выражению (6.19), которое, в свою очередь, зависит от интенсивности теплообмена. Поэтому расчеты теплообмена с использованием выражения (6.24) следует проводить методом последовательных приближений.

Рис. 6.6. Принципиальная схема байпасирования уходящих после котла газов, и изображение изменения их состояния в I-d диаграмме

Расчёт поверхностного теплообменника

 

Глава 7. Парогазовые установки