Утилизатор тепла дымовых газов
FLUE GAS HEAT RECOVERY UNIT

Изобретение относится к рекуператорным установкам и может быть использовано в теплоэнергетике, нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической и других отраслях промышленности для утилизации тепла дымовых газов.
Известна рекуператорная установка (патент на ПМ RU №175713, МПК F24H 8/00, опубл. 15.12.2017 Бюл. №35), содержащая факельную трубу с горелочными устройствами и средствами для ввода сбросных газов и воздуха, расположенными в нижней части факельной трубы, нагреватель продукта дымовыми газами, причем факельная труба снабжена установленными в ее верхней части трубопроводом для отвода дымовых газов, который соединен посредством патрубка с межтрубным пространством нагревателя продукта, на выходном патрубке которого установлен дымосос для откачки дымовых газов из факельной трубы, при этом на трубопроводе для отвода дымовых газов установлена шиберная поворотная заслонка для регулирования температуры нагреваемого продукта.
Недостатками данной установки являются необходимость дополнительного нагрева дымовых газов с последующим охлаждением, что требует дополнительных затрат горючего и электроэнергии для прокачки гораздо большего количества нагреваемой в теплообменнике жидкости, и отсутствие сбора и утилизации выделяющегося конденсата.
1
Известен также теплообменник «труба в трубе» (патент на ПМ RU №181266, МПК F28D 07/10, F28D 07/06, опубл. 09.07.2018 Бюл. №19), состоящий из нескольких последовательно соединенных трубчатых элементов, образованных двумя концентрически расположенными наружными и внутренними трубами, и калачей, соединяющих внутренние трубы, при этом свободные концы каждой внутренней трубы и калача выполнены с резьбой и соединены между собой муфтой с равномерно расположенными на ее боковой поверхности центрирующими упругими пластинами, а каждый калач установлен внутри колена, причем колено выполнено в виде гофрированной трубы из упругого материала, гофры которой образуют винтовую линию, а внутренний диаметр гофр D и наружный диаметр калача d подчиняются соотношению:
1
D/d=1,15÷1,25,
1
1
где D - внутренний диаметр гофр D, м;
d - наружный диаметр калача d, м.
Недостатками данной установки являются необходимость больших по протяженности участков для достаточного охлаждения дымовых газов, что приводит к высокой металлоемкости и отводу больших производственных площадей для реализации, и отсутствие сбора и утилизации выделяющегося конденсата.
Наиболее близкой является парогазовая установка с глубокой утилизацией тепла отходящих газов (патент RU №2700843, МПК F01K 25/08, опубл. 23.09.2019 Бюл. №27), содержащая:
газотурбинную установку, включающую газовую турбину, многоступенчатый турбокомпрессор, камеру сгорания и электрогенератор;
паровой котел-утилизатор с газовым трактом, оборудованным шиберами и дымовой трубой,
паротурбинную установку, состоящую из паровой турбины с конденсатором, снабженным конденсатосборником, электрогенератора, градирни в контуре конденсатора и насосов - питательного, циркуляционного и конденсатного;
конденсационный теплообменник-утилизатор тепла отходящих газов,
причем вход теплообменника-утилизатора соединен с конденсатосборником конденсатора паровой турбины, а выход - с линией подачи конденсата от конденсатосборника конденсатора паровой турбины в котел-утилизатор.
Недостатками данной установки являются необходимость дополнительного нагрева отводимых газов с последующим охлаждением, что требует дополнительных затрат горючего и электроэнергии для прокачки гораздо большего количества нагреваемой в теплообменнике жидкости, и отсутствие при сборе и утилизации выделяющегося конденсата контроля за pH конденсата, что может привести к преждевременному выходу из строя установки при взаимодействии кислоты с металлом и/или осаждении карбонатов магния и/или кальция на стенках.
Технической задачей предлагаемого технического решения является создание конструкции утилизатора тепла дымовых газов котла, позволяющего нагревать тепловым насосом конденсат, который направляется на выход системы водоподготовки, что экономит энергию и горючее, при этом отделять карбонатов магния и кальция с последующим контролем pH воды.
Техническая задача решается утилизатор тепла дымовых газов, включающий водяной теплообменник-утилизатор, сообщенный с конденсатосборником и линией входа парового котла, оснащенного на входе установкой водоподготовки.
Новым является то, что вход теплообменника-утилизатора, предназначенного для нагрева воды до температуры ниже отложения солей - карбонатов кальция и магния, сообщен с источником неподготовленной воды, а выход - с входом установки водоподготовки через регулируемый делитель потока, обеспечивающий соединение части потока с конденсатом дымовых газов в пропорции как минимум три к одному. Утилизатор содержит тепловой насос, обеспечивающий снижение температуры потока нагретой воды на 1-2°С и нагрев смеси воды и конденсата, перекачиваемой водяным насосом в тепловом насосе со скоростью не менее 2 м/с, до температуры образования солей - карбонатов кальция и магния перед вводом в конденсатосборник, выход которого соединен с выходом установки водоподготовки и оснащен датчиками pH воды и дозаторами реагента для его регулировки и исключения солеотложения в котле, а низ - с солесборником, при этом конденсатосборник оснащен сверху отводом для углекислого газа.
Новым является также то, что конденсатосборник и его обвязки покрыты теплоизоляционным материалом.
На чертеже изображена схема утилизатора тепла.
Утилизатор тепла дымовых газов, проходящих по дымоходу 1, включает водяной теплообменник-утилизатор 2, сообщенный с конденсатосборником 3 и линией входа 4 парового котла 5, оснащенного на входе установкой водоподготовки 6. Вход 7 теплообменника-утилизатора 2, предназначенного для нагрева до температуры ниже отложения солей - карбонатов кальция и магния (рекомендуется не выше 45°С), сообщен с источником неподготовленной воды (не показан), а выход 8 - с входом установки водоподготовки 6 через регулируемый делитель потока 9 (например, тройник с регулируемой задвижкой), обеспечивающий соединение части потока воды с конденсатом дымовых газов в пропорции как минимум три к одному (как минимум три части воды к одной части конденсата, выходящего из теплообменника-утилизатора 2). Утилизатор содержит тепловой насос 10, обеспечивающий снижение температуры потока нагретой воды на 1-2°С, при этом нагревая смесь воды и конденсата, перекачиваемую водяным насосом 11 в тепловом насосе 10 со скоростью не менее 2 м/с, до температуры образования нерастворимых в воде солей - в большинстве своем карбонатов кальция и магния (выше температуры 55°С), перед вводом в конденсатосборник 3.
Высокая скорость потока смеси воды и конденсата в тепловом насосе 10 обеспечивает высокое значение числа Рейнольдса, определяемого по формуле:
, [1]
где Re - число Рейнольдса;
V - скорость потока жидкости, м|c;
L - характерный линейный размер (для труб - диаметр d), м;
2
(- кинематическая вязкость жидкости, м/с.
При очень больших значениях числе Рейнольдса считается, что влияние вязкости проявляется в части потока, которая движется в непосредственной близости от поверхности и называется пограничным слоем. С увеличением числа Рейнольдса увеличивается турбулизация пограничного слоя и уменьшается его толщина, следовательно, при очень больших числах Рейнольдса можно достичь толщины пограничного слоя близкой к нулю. При отсутствии парообразования в пограничном слое интенсивность образования первичной накипи происходит выделение нерастворимых веществ (отложение первичной накипи за счет разложения бикарбонатов, снижения растворимости при нагревании некоторых солей (сульфатов) и за счет образования труднорастворимых веществ вследствие концентрирования солей при упаривании при образовании микроскопических частиц пара в пограничном слое) также становится близкой к нулю. Образующиеся и выделяющиеся нерастворимые частицы в тепловом насосе 10 уносятся потоком, поскольку пограничный слой практически отсутствует. Все это в совокупности значительно увеличивает межремонтный период и срок службы теплового насоса 10. Выход 12 конденсатосборника 3 соединен с выходом 13 установки водоподготовки 6 и оснащен датчиками pH воды 14 и дозаторами реагента 15 для его регулировки и исключения солеотложения в котле 5, а низ - трубопроводом 16 с солесборником (не показан) для сброса образовавшихся в тепловом насосе 10 и смытых солей. Конденсатосборник 3 оснащен сверху отводом 17 для углекислого газа, выделившегося при образовании солей и разложении угольной кислоты под действием повышенной температуры в тепловом насосе 10. Для снижения тепловых потерь конденсатосборник 3 и его обвязка (не показана) покрыты теплоизоляционным материалом (не показан).
На конструкции теплообменника-утилизатора 2, котла 5, установки водоподготовки 6, делителя потока 9 и теплового насоса 10 авторы не претендуют, так как они могут быть любой конструкции, известной из открытых источников и удовлетворяющей требованиям работоспособности данных элементов.
Конструктивные элементы, технологические соединения, задвижки и обвязка элементов, не влияющие на работоспособность утилизатора тепла, на чертеже не показаны или показаны условно.
Утилизатор тепла дымовых газов работает следующим образом.
Неподготовленная вода, необходимого для работы котла 5 объема, насосом 18 перекачивается на вход 7 теплообменника-утилизатора 2 и далее через теплообменник-утилизатор 2, делитель потока 9, тепловой насос 10 и линию входа 4 в установку водоподготовки 6. В установке водоподготовки 6 вода очищается и умягчается (освобождается от растворимых в воде гидрокарбонатов) и насосом 19 подается в паровой котел 5, где нагревается при сгорании горючего (попутный или природный газ, мазуто-воздушная смесь, уголь с окислителем и/или т.п.) до парообразного состояния. Из котла 5 пар подается по паропроводу 20 потребителям (например, для прогрева пластов при добыче высоковязкой смеси, обогрева цехов, домой и/или т.п. - не показаны). При сжигании горючего в котле 5 образуется дым (с температурой 120-240°С - варьируется от вида котла и применяемого горючего), который по дымоходу 1 отводится наружу через теплообменник-утилизатор 2. Теплообменник-утилизатор 2 на этапе конструирования подобран так, чтобы протекающая через него неподготовленная вода нагревалась до температуры, исключающей отложения солей внутри теплообменника-утилизатора 2, тем самым значительно увеличивая его межремонтный период и срок службы. При этом охлаждается и дым в теплообменнике-утилизаторе 2 до температуры ниже «точки росы» (практически температура дыма снижается до температуры окружающей среды). В результате образуется конденсат, содержащий воду и угольную кислоту, который отбирается из теплообменника-утилизатора 2 и вместе с частью потока неподготовленной воды из делителя потока 9 подается на вход насоса 11.
Для обеспечения максимальной эффективности без «срывов потока» (захват выделяющегося воздуха из-за создающегося вакуума насосом 11, что может привести к его выходу из строя) на входе насоса 11 необходимо соблюдать следующее соответствие:
[2]
н
3
где Q - производительность насоса, м/с;
к
3
q - объем выделившегося конденсата за единицу времени, м/с;
в
3
q - объем части воды за единицу времени, направляемой с делителя потока 9, м/с.
Как показала практика для исключения «срыва потока» на входе насоса 11 необходимо соблюдать следующее неравенство:
, [3]
к
3
где q - объем выделившегося конденсата за единицу времени, м/с;
в
3
q - объем части воды за единицу времени, направляемой с делителя потока 9, м/с.
Для соблюдения условий [1] и [2] на выходах из теплообменника-утилизатора 2 и делителя потока 9 устанавливают соответствующие расходомеры 21 и 22, сигналы с которых подаются на блок управления 23. Блок управления 23 регулирует при помощи делителя потока 9: какую часть потока неподготовленной воды направить вместе с конденсатом на вход насоса 11.
Нагретая в теплообменнике-утилизаторе 2 вода с его выхода 8 через делитель 9 подается в тепловой насос 10, где ее температура незначительно понижается (на 1-2°С), после чего в теплом виде (обычно температурой 25-35°С) линию входа 4 подается в установку водоподготовки 6. В результате облегчается очистка и умягчение воды в установке водоподготовки 6, что значительно экономит энергию, затрачиваемую на это.
Насос 11 со скоростью не менее 2 м/с прокачивает смесь воды и конденсата в тепловом насосе 10, которая в нем за счет отбора тепла из неподготовленной воды нагревается до температуры образования нерастворимых воде солей (на практике до температуры 80-95°С), вместе с которыми смесь направляется в конденсатосборник 3. В конденсатосборнике 3 выделившиеся соли осаждаются на дне, откуда периодически по трубопроводу 16 отбирается в солесборник и далее на утилизацию, а выделившийся углекислый газ скапливается вверху, откуда отводом 17 отбирается на утилизацию. Очищенная от солей и углекислого газа смесь воды из конденсатосборника 3 поступает на выход 12, в котором ее pH измеряется датчиками pH воды 14, при несоответствии заявленным технологами параметра по кислотности датчиками pH воды 14 подают сигнал на дозаторы реагента 15, который добавляет реагент (водный раствор соды, кислоты, ингибитор коррозии и/или т.п.) в смесь для соответствующей регулировки ее pH. Горячая смесь воды и конденсата (обычно температурой 80±5°С) из конденсатосборника 3 через выход 12 соединяется с теплой водой (обычно температурой 30±5°С) в выходе 13 из установки водоподготовки 3, повышая общую температуру воды, подаваемую насосом 19 в котел 5. Тем самым снижая затраты на нагрев воды до парообразного состояния в котле 5.
Как показала практика затраты установках на прогрев воды до парообразного состояния без использования утилизации тепла дымовых газов на 10-15% выше, чем при использовании предлагаемого утилизатора тепла. Так же по сравнению с установками, использующими утилизацию тепла для нагрева воды до парообразного состояния, но без применения теплового насоса затраты энергии, в том числе и горючего, на 3-5% выше, чем при использовании предлагаемого утилизатора тепла.
Предлагаемый утилизатор тепла дымовых газов котла, позволяет нагревать тепловым насосом конденсат с водой, которые направляются на выход системы водоподготовки, что экономит энергию и горючее, при этом отделять карбонатов магния и кальция с последующим контролем pH воды.