VII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2015

Введение. В теплогенерирующих установках одними из основных тепловых потерь являются тепловые потери с уходящими газами и неполнота использования теплоты сгорания топлива. Величины потерь колеблются в пределах 9-12% и зависят от вида топлива, применяемого в ТГУ.

В этом случае определенный эффект дает использование теплоутилизаторов. Теплота конденсации водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания топлива, наиболее эффективно может быть использована в высокотемпературных промышленных котельных. При использованиикоррозионностойких материалов, в том числе теплообменников, нечувствительные к влаге тракты продуктов сгорания и дымовые трубы обеспечивают длительную эксплуатацию оборудования без повреждений.

Для промышленных котельных реализация надежной и проверенной технологии полного использования теплоты сгорания топлива позволяет уменьшить эксплуатационные затраты и внести свой вклад в снижение техногенной нагрузки на окружающую среду, в частности, в сокращение эмиссии в атмосферу СО, СО₂.

1. Применение конденсационных технологий в промышленных котельных. Промышленные котельные при сжигании природного газа почти не выбрасывают сажи и серы. Это значительно сокращает расходы на очистку загрязненных поверхностей нагрева. Кроме того, поскольку значение рН конденсата из продуктов сгорания природного газа выше, чем в случае со сжиганием жидкого топлива, то меньше затрат требуется и на его нейтрализацию. В то же время на практике доказана возможность реализации конденсационной технологии при сжигании в котельныхжидкого топлива с низким содержанием серы, рынок которого растет. Низкое (не более 0,005 % по массе) содержание серы в жидком топливе обеспечивает его сгорание без образования сажи и углеводородного остатка. Процесс десульфуризации, как дополнительный этап производства топлива с низким содержанием серы, приводит к его удорожанию. Однако это с запасом компенсируется увеличением КПД установки и связанной с этим экономией топлива для промышленных котельных.

Для полного использования теплоты сгорания топлива в промышленной котельной водяные пары, образующиеся при его сжигании, должны быть сконденсированы путем охлаждения дымовых газов ниже температуры точки росы. При реализации этого топливного потенциала поверхности нагрева и выходные элементы конструкции котельной установки, соприкасающиеся с влажными продуктами сгорания, должны быть выполнены из коррозионностойкой стали.

По данным [2] в сравнении с традиционными, котлы, конструкция которых реализует конденсационную технологию, позволяют уменьшить потребление топлива (и затраты на него) и выбросы вредных веществ более чем на 10 %.

Конденсационные котлы для промышленных котельных сравнительно малых мощностей обычно полностью выполняют из нержавеющей стали. По ряду технических особенностей и высокой стоимости такого решения оно не реализуется в конструкциях крупных водогрейных котлов.

2. Применение конденсационных технологий в отопительных котельных. Новые низкотемпературные системы отопления, включающие отопительные приборы с развитыми поверхностями нагрева, позволяют осуществлять работу котла в конденсационном режиме на протяжении всего года.

Работа котла в конденсационном режиме возможна и в случае низкотемпературных отопительных систем, проектируемых для котельных мягких климатических зон.

Водогрейные котлы высокого давления, вырабатывающие тепло для технологических процессов или тепловых систем с большой протяженностью теплотрасс первичного контура, в большинстве своем работают с температурой «обратки», значительно превышающей точку росы. И в этом случае конденсационная технология не может быть применена. Однако и при использовании экономайзеров в «сухом» режиме КПД котла может достигать 98 %.

Как уже говорилось, наиболее полная утилизация теплоты сгорания топлива достигается, когда температура обратного потока предельно низка. Однако на входе в котельный блок температура теплоносителя не должна быть ниже определенного значения. Поэтому в схеме обычно предусмотрен узел, чаще на базе трехходового клапана, смешивающий подаваемую в котел воду «обратки» с прямым потоком воды до достижения температуры на входе непосредственно в котел выше точки росы дымовых газов (иначе выпадение конденсата будет вызывать коррозию стального котла). Специальный инжектор в верхней части корпуса обеспечивает эффективное смешение воды и ее проток через котел.

Рассмотрим одну из возможных конденсационных схем. Это использование двухступенчатых напорных теплоутилизаторов, в которых происходит поэтапная утилизация теплоты [3]:

1) удаление водяных паров из парогазовой среды при температуре выше температуры точки росы;

2) глубокое охлаждение осушенных продуктов сгорания до температур ниже температуры точки росы.

При этом конденсация водяных паров осуществляется из парогазовой среды при температуре выше, чем температура точки росы, соответствующая атмосферному давлению; утилизируются значительные тепловые потоки из парогазовой среды уходящих газов теплогенерирующих установок при сведении коррозионных процессов к минимуму.

Так как давление греющей среды в теплоутилизаторе поддерживается выше атмосферного, то на поверхностях нагрева тепловых труб и проставок происходит конденсация водяных паров из парогазовой среды при температуре выше температуры точки росы.

Путем дросселирования охлажденного газа его давление снижается до атмосферного, затем он подается на вторую ступень, в которой окончательно утилизируется низкотемпературная теплота.

Вторая ступень может быть орошаемой, тогда она является дополнительно абсорбером – теплоутилизатором по типу КТАНов. Конический бункер двухступенчатого напорного теплоутилизатора может быть разделен глухой перегородкой на две части. В этом случае конденсат, собираемый из напорной ступени в первом бункере, используется для технологических целей, а загрязненный абсорбат из второго бункера безнапорной ступени поступает на нейтрализацию (или на химзавод для производства удобрений). Так как из продуктов сгорания удаляются водяные пары и частично загрязняющие вещества, растворенные в конденсате, то температура точки росы резко снижается, что позволяет делать более глубокую утилизацию теплоты во второй ступени [4]. Установку данного теплоутилизатора можно рекомендовать за котлами тепловой мощностью не менее 1,5 МВт.

В соответствии со схемой подключения теплоутилизатора основными ее элементами являются (рис.1): теплогенерирующая установка (ТГУ) 1 с хвостовыми поверхностями 2, компрессор 3, напорный теплоутилизатор со встроенным дроссельным устройством 4, дымосос 8 и дымовая труба 5. Для подачи воздуха в топку ТГУ устанавливается дутьевой вентилятор 6.

В зависимости от реализуемых задач, можно предложить некоторые варианты компоновки напорных теплоутилизаторов с котлами: комбинированная схема использования напорного теплоутилизатора для нагрева воды системы химводоочистки (безнапорная секция) и воды для горячего водоснабжения (напорная секция) или двухступенчатая схема нагрева воды на горячее водоснабжение в напорном теплоутилизаторе.

Данный вариант не допускает полного использования теплоты сгорания топлива. Реализация конденсационной технологии возможна при организации в паровых промышленных котлах высокого давления второй ступени теплообмена для теплоснабжения низкотемпературных потребителей.

Конденсатор выполняется из нержавеющей стали, как и все остальные элементы газового тракта, находящиеся ниже него по ходу продуктов сгорания.

Многие промышленные предприятия (в частности, пищевые) испытывают большую потребность в технической воде, которая может быть предварительно подогрета в конденсаторе продуктов сгорания до 50–70 °C . Нагрев технической воды до более высоких температур возможен в расположенных далее по тракту теплообменниках, нагреваемых паром.

Значение рН конденсата продуктов сгорания при сжигании природного газа составляет 2,8–4,9, а при сжигании жидких топлив с низким содержанием серы - 1,8–3,7. То есть речь идет о кислой среде, любые дальнейшие действия с которой требуют ее предварительной обработки [5, 6].

Рис. Схема компоновки напорного теплоутилизатора и теплогенерирующей

установки: 1 – ТГУ; 2 - хвостовая поверхность; 3- компрессор; 4 – напорный

теплоутилизатор; 5 - дымовая труба; 6 - дутьевой вентилятор;

7 - байпасная линия; 8-дымосос

Выводы. При сравнении инвестиций в обычный водогрейный котел и котел со встроенным конденсационным экономайзером необходимо принять во внимание следующие аспекты:

• затраты на интегрированный экономайзер из нержавеющей стали;

• затраты на дренирование и нейтрализацию конденсата для установок мощностью выше 200 кВт;

• в случае необходимости – затраты на дренажные системы из нержавеющей стали;

• в большинстве случаев дымовая труба также выполняется из этого материала.

Установлено, что в сравнении с традиционными, котлы, конструкция которых реализует конденсационную технологию, позволяют уменьшить потребление топлива и выбросы вредных веществ более чем на 10 %. При существующем уровне мировых цен на топливо постоянное применение данных решений позволяет окупить дополнительные затраты за два – четыре года в зависимости от теплопроизводительности котельной и ее температурного режима. Расчеты показывают увеличение КПД для установок с утилизацией полной теплоты сгорания топлива промышленной котельной на 8 %.

Библиографический список

1. Полное использование теплоты сгорания топлива в промышленных котельных // АКВА-ТЕРМ. - М., -2008.- № 3 (43).- С.18-22.

2. Ежов, В.С. Снижение вредных газообразных выбросов источников центрального теплоснабжения / B.C. Ежов// Промышленная энергетика. – М., 2006. - №12. – С. 44-51.

3. Петрикеева, Н.А. Разработка эффективных конденсационных теплообменников теплогенерирующих установок: автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.23.03: защищена 21.02.08 /Наталья Александровна Петрикеева. – Воронеж, 2008. – 20 с.

4. Волкова, Ю.В. Технологические схемы очистки дымовых газов от оксидов серы/ Ю.В. Волкова, Н.А. Петрикеева// Инженерные системы и сооружения. – Воронеж: ВГАСУ, -2012. – № 2. - С. 10-13.

5. Петрикеева, Н.А. Методика технико-экономического обоснования схем теплогенерирующих установок с напорными теплоутилизаторами/ Н.А. Петрикеева, В.С. Турбин// Вестник Воронежского государственного технического университета. Серия «Энергетика», 2006.- № 7. - С. 120-122.

6. Петрикеева, Н.А. Математическая модель процессов конденсации водяных паров на теплообменных поверхностях/ Н.А. Петрикеева, В.С. Турбин, О.А. Сотникова// Известия Тульского государственного университета. Серия «Строительство, архитектура и реставрация». 2006. – Вып. № 10.- С. 159-163.

7. Петрикеева, Н.А. Зависимость концентрации оксидов азота от величины теплопотерь с уходящими дымовыми газами / Н.А. Петрикеева, Л.В. Березкина, А.И. Колосов// Научный вестник ВГАСУ. Серия «Строительство и архитектура». 2010. - Вып. № 2. - С.121-125.

8. Петрикеева, Н.А. Расчет экономической эффективности применения конденсационных теплообменных устройств теплогенерирующих установок/ Н.А. Петрикеева, О.А. Сотникова// Известия высших учебных заведений. Серия «Строительство и архитектура». 2008. - Вып. № 1.- С. 113.

9. Петрикеева, Н.А. Экологический эффект при полном сгорании топлива в котельных установках/ Н.А. Петрикеева, С.Н. Кузнецов// Научный вестник Воронежского государственного архитектурно-строительного университета. Серия «Строительство и архитектура». 2013. - Вып. № 1. - С.108-113.

Код для цитирования: Скопировать