СПОСОБ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
METHOD OF FLUE GASES DEEP HEAT RECOVERY

Изобретение относится к теплоэнергетике и может найти применение на любом предприятии, эксплуатирующем котлы на углеводородном топливе.
Известны серийно выпускаемые Костромским калориферным заводом калориферы типа КСк (Кудинов А.А. Энергосбережение в теплогенерирующих установках. - Ульяновск: УлГТУ, 2000. - 139, стр. 33), состоящие из газоводяного поверхностного теплоутилизатора, поверхность теплообмена которого выполнена из оребренных биметаллических трубок, сетчатого фильтра, распределительного клапана, каплеуловителя и гидропневматического обдувочного устройства.
Калориферы типа КСк работают следующим образом. Дымовые газы попадают на распределительный клапан, который делит их на два потока, основной поток газа направляется через сетчатый фильтр в теплоутилизатор, второй - по обводной линии газохода. В теплоутилизаторе водяные пары, содержащиеся в дымовых газах, конденсируются на оребренных трубках, нагревая текущую в них воду. Образующийся конденсат собирается в поддоне и подается насосами в схему подпитки теплосети. Нагретая в теплоутилизаторе вода подается потребителю. На выходе из теплоутилизатора осушенные дымовые газы смешиваются с исходными дымовыми газами из обводной линии газохода и направляются через дымосос в дымовую трубу.
Для работы теплоутилизатора в режиме конденсации всей его конвективной части требуется, чтобы температура нагрева воды в конвективном пакете не превышала 50°С. Для использования такой воды в системах отопления ее нужно дополнительно догревать.
Для предотвращения конденсации остаточных водяных паров дымовых газов в газоходах и дымовой трубе, часть исходных газов через обводной канал подмешиваются к осушенным дымовым газам, повышая их температуру. При таком подмесе увеличивается и содержание водяных паров в уходящих дымовых газах, снижая эффективность утилизации тепла.
Известен теплоутилизатор (RU 2323384 С1, МПК F22B 1/18 (2006.01), опубл. 27.04.2008), содержащий контактный теплообменник, каплеуловитель, газо-газовый теплообменник, включенный по схеме прямотока, газоходы, трубопроводы, насос, датчики температуры, клапаны-регуляторы. По ходу оборотной воды контактного теплообменника последовательно расположены водо-водяной теплообменник и водовоздушный теплообменник с обводным каналом по ходу воздуха.
Известен способ работы этого теплоутилизатора. Уходящие газы по газоходу поступают на вход газо-газового теплообменника, последовательно проходя три его секции, затем на вход контактного теплообменника, где, проходя через насадку, омываемую оборотной водой, охлаждаются ниже точки росы, отдавая явное и скрытое тепло оборотной воде. Далее охлажденные и влажные газы освобождаются от большей части унесенной потоком жидкой воды в каплеуловителе, нагреваются и подсушиваются, по меньшей мере, в одной секции газо-газового теплообменника, дымососом направляются в трубу и выбрасываются в атмосферу. Одновременно нагретая оборотная вода из поддона контактного теплообменника насосом подается в водо-водяной теплообменник, где нагревает холодную воду из трубопровода. Нагретая в теплообменнике вода поступает на нужды технологического и бытового горячего водоснабжения или в низкотемпературный отопительный контур.
Далее оборотная вода поступает в водовоздушный теплообменник, нагревает, по меньшей мере, часть дутьевого воздуха, поступающего из-за пределов помещения по воздуховоду, охлаждаясь до минимально возможной температуры, и поступает в контактный теплообменник через водораспределитель, где отбирает тепло от газов, попутно промывая их от взвешенных частиц, и поглощает часть оксидов азота и серы. Нагретый воздух из теплообменника дутьевым вентилятором подается в штатный воздухоподогреватель или непосредственно в топку. Оборотная вода по необходимости фильтруется и обрабатывается известными способами.
Для осуществления такого способа необходима система регулирования вследствие использования утилизируемого тепла для целей горячего водоснабжения из-за непостоянства суточного графика потребления горячей воды.
Нагретая в теплообменнике вода, поступающая на нужды горячего водоснабжения или в низкотемпературный отопительный контур, требует ее доведения до необходимой температуры, так как не может быть нагрета в теплообменнике выше температуры воды оборотного контура, которая определяется температурой насыщения водяных паров в дымовых газах. Низкий нагрев воздуха в водовоздушном теплообменнике не позволяет использовать этот воздух для отопления помещений.
Наиболее близкими к заявляемому изобретению являются устройство и способ утилизации тепла дымовых газов (RU 2436011 С1, МПК F22B 1/18 (2006.01), опубл. 10.12.2011).
Устройство утилизации тепла дымовых газов содержит газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник, выполненный по схеме противотока, поверхностный газовоздушный пластинчатый конденсатор, инерционный каплеуловитель, газоходы, дымосос, воздуховоды, вентиляторы и трубопровод.
Исходные дымовые газы охлаждаются в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы. Греющая и нагреваемая среда движутся противотоком. При этом происходит глубокое охлаждение влажных дымовых газов до температуры, близкой к точке росы водяных паров. Далее содержащиеся в дымовых газах водяные пары конденсируются в газовоздушном поверхностном пластинчатом теплообменнике - конденсаторе, нагревая воздух. Нагретый воздух используется для отопления помещений и покрытия потребности процесса горения. Конденсат после дополнительной обработки используют для восполнения потерь в теплосети или паротурбинном цикле. Для исключения конденсации остаточных водяных паров, уносимых потоком из конденсатора, перед дополнительным дымососом подмешивается часть подогретых осушенных дымовых газов. Осушенные дымовые газы подаются дымососом в описанный выше подогреватель, где нагреваются для предотвращения возможной конденсации водяных паров в газоходах и дымовой трубе и направляются в дымовую трубу.
Недостатками этого способа является то, что утилизируется преимущественно скрытая теплота конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Если рекуперативный теплообменник охлаждает исходные дымовые газы до температуры, близкой к точке росы водяных паров, то нагрев уходящих осушенных дымовых газов будет избыточным, что снижает эффективность утилизации. Недостатком является и использование для нагрева только одной среды - воздуха.
Задачей изобретения является повышение эффективности утилизации тепла дымовых газов за счет использования скрытого тепла конденсации водяных паров и повышенной температуры самих дымовых газов.
В предложенном способе глубокой утилизации тепла дымовых газов, также как в прототипе, дымовые газы предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы, конденсируют водяные пары, содержащиеся в дымовых газах в конденсаторе, нагревая воздух.
Согласно изобретению между теплообменником и конденсатором дымовые газы доохлаждают до температуры, близкой к точке росы водяных паров, нагревая воду.
Газовые котлы имеют высокую температуру уходящих дымовых газов (130°С для больших энергетических котлов, 150°С-170°С для малых котлов). Для охлаждения дымовых газов перед конденсацией используют два устройства: рекуперативный газо-газовый теплообменник и утилизационный водоподогреватель.
Исходные дымовые газы предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы на 30-40°С выше, чем температура насыщения содержащихся в них водяных паров, для создания запаса по температуре при возможном охлаждении дымовых газов в трубе. Это позволяет уменьшить площадь теплообмена рекуперативного теплообменника по сравнению с прототипом и полезно использовать оставшееся тепло дымовых газов.
Существенным отличием является использование контактного газоводяного водоподогревателя для окончательного охлаждения влажных дымовых газов до температуры, близкой к точке росы водяных паров. На входе в водоподогреватель дымовые газы имеют достаточно высокую температуру (130°С-90°С), что позволяет нагревать воду до 50°С-65°С с частичным ее испарением. На выходе из контактного газоводяного водоподогревателя дымовые газы имеют температуру близкую к точке росы содержащихся в них водяных паров, что повышает эффективность использования поверхности теплообмена в конденсаторе, исключает образование сухих зон конденсатора и повышает коэффициент теплопередачи.
Способ утилизации тепла дымовых газов изображен на фиг.1.
В таблице 1 приведены результаты проверочного расчета варианта установки для котла на природном газе мощностью 11 МВт.
Способ глубокой утилизации тепла дымовых газов осуществляют следующим образом. Исходные дымовые газы 1 предварительно охлаждают в газо-газовом поверхностном пластинчатом теплообменнике 2, нагревая осушенные дымовые газы. Далее дымовые газы 3 окончательно охлаждают в контактном газоводяном водоподогревателе 4 до температуры, близкой к точке росы водяных паров, разбрызгивая воду, в качестве которой целесообразно использовать полученный в конденсаторе конденсат. При этом часть воды испаряется, повышая влагосодержание дымовых газов, а остальная нагревается до этой же температуры. Содержащиеся в дымовых газах 5 водяные пары конденсируют в газовоздушном поверхностном пластинчатом теплообменнике - конденсаторе 6 с каплеуловителем 7, нагревая воздух. Конденсат 8 подается для подогрева в контактный газоводяной водоподогреватель 4. Теплота конденсации используется для подогрева холодного воздуха, который подают вентиляторами 9 из окружающей среды по воздуховоду 10. Нагретый воздух 11 направляют в производственное помещение котельного цеха для его вентиляции и отопления. Из этого помещения воздух подают в котел для обеспечения процесса горения. Осушенные дымовые газы 12 дымососом 13 подают в газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник 2 для подогрева и направляют в дымовую трубу 14.
Для исключения конденсации остаточных водяных паров, уносимых потоком из конденсатора, перед дымососом 13 подмешивают часть подогретых осушенных дымовых газов 15 (до 10%), величина которой первоначально настраивается заслонкой 16.
Регулирование температуры нагреваемого воздуха 11 осуществляют изменением расхода осушаемых дымовых газов 1 или изменением расхода воздуха, при помощи регулирования числа оборотов дымососа 13 или вентиляторов 9 в зависимости от температуры наружного воздуха.
Теплообменник 2 и конденсатор 6 представляют собой поверхностные пластинчатые теплообменники, выполненные из унифицированных модульных пакетов, которые скомпонованы таким образом, чтобы движение теплоносителей осуществлялось противотоком. В зависимости от объема осушаемых дымовых газов, подогреватель и конденсатор формируются из рассчитываемого количества пакетов. Водоподогреватель 4 представляет собой контактный газоводяной теплообменник, обеспечивающий дополнительное охлаждение дымовых газов и нагрев воды. Нагретая вода 17 после дополнительной обработки используется для восполнения потерь в теплосети или паротурбинном цикле. Блок 9 формируется из нескольких вентиляторов для изменения расхода подогреваемого воздуха.
В таблице 1 приведены результаты поверочного расчета варианта исполнения установки для котла на природном газе мощностью 11 МВт. Расчеты проводились для температуры наружного воздуха -20°С. Расчет показывает, что использование контактного газоводяного водоподогревателя 4 приводит к исчезновению сухой зоны в конденсаторе 6, интенсифицирует теплообмен и увеличивает мощность установки. Процент утилизированного тепла увеличивается с 14,52 до 15,4%, при этом температура точки росы водяных паров в осушенных дымовых газах снижается до 17°С. Примерно 2% тепловой мощности не утилизируется, а используется для рекуперации - нагрева осушенных дымовых газов до температуры 70°С.