СКРУББЕР ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР

Полезная модель относится к области утилизации тепла уходящих горячих газов от теплоэнергетического и теплотехнологического оборудования и может быть использовано для обеспыливания газов и улавливания зольного уноса, увлажнения, уменьшения влагосодержания и некоторых других процессов.
Известен контактный теплообменник с активной насадкой (КТАН) [Энергосберегающие технологии в СССР и за рубежом. Под общей редакцией д.т.н., проф. С.Н. Ятрова. Научно-консультативное акционерное общество порационализации использования и экономии топливно-энергетических ресурсов фирма «Энергосбережение», Москва 1991 г., Выпуск 2, стр. 202; Справочник по котельным установкам малой производительности, К.Ф. Роддатис, А.Н. Полтарецкий, Москва: Энергоатомиздат 1989 г., стр. 325-326].
Активная насадка представляет собой горизонтальный трубный пучок, встроенный в прямоугольный корпус, трубки которого вварены в трубные решетки, закрытые коробами, в которых размещены перегородки, направляющие поток чистой нагреваемой воды по горизонтальным ходам этого трубного пучка, и патрубки подвода и отвода этой нагреваемой воды. Над трубным пучком размещается орошающая камера, в которой размещены коллекторы с форсунками подвода и распределения орошающей воды. Под трубным пучком размещается корпус, сепарационной части в которой отделяется промывающая вода от газа и улавливаются ее капли в жалюзийном каплеуловителе. Над сепарационным устройством находится патрубок отвода охлажденного газа, а снизу сепарационный части имеется штуцер отвода промывающей жидкости. КТАН работает следующим образом. Горячие газы от теплоэнергетического и теплотехнологичсского оборудования поступают в теплообменник через верхний патрубок и поступают в орошающую камеру где теплота газа передастся каплям орошающей воды, при этом газ и орошающая вода двигаются в нисходящем прямотоке. Далее газ и капли орошающей воды проходят через межтрубное пространство горизонтального трубного пучка, по трубкам которого в несколько горизонтальных ходов движется нагреваемая вода. Теплота от газа продолжает передаваться орошающей воде, покрывающей в виде пленки трубки трубного пучка и далее от этой пленки передается через стенки труб трубного пучка, нагреваемой воде, протекающей по трубам. Далее, уходящие газы поступают в нижнюю сепарационную часть КТАНа, где происходит отделение орошающей воды. Далее, в жалюзийном каплеуловителе происходит отделение капель от уходящего газа и удаление его из аппарата.
Недостатком КТАНа является то, что в нем одновременно невозможно получить теплоноситель с достаточно высоким кондиционными температурами, например, 55-60°С, и повысить тепловой КПД теплоэнергетической или теплотехнологической установки на достаточно существенную величину, например, 10-15%. Эти две задачи в КТАНах можно решать только отдельно, независимо друг от друга. Этот важнейший недостаток объясняется схемой взаимных направлений движения газов и орошающей и нагреваемой воды (нисходящий прямоток). Как показал анализ процесса утилизации тепла уходящих газов, необходимо решать вышеуказанные две задачи одновременно. Первая задача заключается в том, что из экономических соображений утилизация тепла должна повышать КПД основного теплогенератора на величину близкую к максимальным значениям (например, для теплофикационных котлов на 10-15%). При меньших значениях повышения КПД сравнительно дорогой теплоутилизатор будет иметь срок окупаемости слишком большой и утилизация теплоты в этом случае будет низко рентабельной. Второй задачей является требование, чтобы температура теплоносителя, утилизирующего теплоту, была максимально высокой, при которой утилизированная теплота могла быть полезно использованной. Например, для использования утилизированной теплоты на цели горячего водоснабжения (ГВС) температура получаемой горячей воды должна быть в пределах 55-60°С. Поскольку в КТАНах указанные задачи одновременно не решаются, они широкого применения не получили.
Наиболее близким прототипом является устройство для очистки запыленных горячих газов (Патент СССР №1834692, МПК В01D 47/04, 1991 г.). Устройство состоит из корпуса, в котором содержится входной патрубок запыленного горячего газа, выходной патрубок для отвода очищенного и охлажденного газа. Над входным патрубком размещены коллектор с форсунками, над которыми установлены опорно-распределительная решетка, выше которой располагается встроенная насадка, выполненная из горизонтальных рядов плоскоовальных труб, расположенных в шахматном порядке. Над трубным пучком установлена сепарационная часть с большим поперечным сечением, в верней части, которой расположен каплеуловитель с переливными трубками, а на наклонных стенках сепарационной части размещены патрубки с трубами возврата промывающей жидкости в нижнюю часть корпуса. К трубопроводу подачи промывающей жидкости и к коллектору с форсунками присоединен патрубок отвода части промывающей жидкости на регенерацию, а к всасывающей промывающую жидкость из нижней части корпуса части трубопровода подсоединен патрубок подпитки промывающей жидкости и возврата се после регенерации. Геометрические параметры сечений проточной части корпуса, коллектора с форсунками, опорно-распределительной решетки, встроенной насадки, а также их взаимное расположение по высоте определяются условиями требуемого диспергирования промывающей жидкости, создания газожидкостной эмульсии с равномерной структурой на опорно-распределительной решетке и в встроенной насадке, отвечающими требованиям высокой степени очистки запыленных горячих газов и утилизации их теплоты при сравнительно низком гидравлическом сопротивлении проточной части и, соответственно, всего устройства.
Недостатками прототипа являются. Во-первых, трубный пучок (активная насадка) выполнен их коррозионно-стойких дорогих материалов например, нержавеющей стали, так как они работают в агрессивной кислой среде, кроме того изготовление плоскоовальных труб из труб круглого сечения методом обжатия последних, трудоемко и дорого, а использование тонкостенных шовных труб невозможно, так как при их обжатии образуются в стенках труб продольные трещины. Поэтому для изготовления таких труб требуются бесшовные трубы с толщиной стенок 2-2,5 мм, что дополнительно увеличивает их массу и стоимость труб, кроме того сама операция изготовления плоскоовальных труб и трубных решеток с плоскоовальными отверстиями для таких труб является достаточно дорогой операцией. В конечном счете стоимость скрубберов-теплоутилизаторов становится низко рентабельной. Во-вторых, при достаточной высокой плотности упаковки плоскоовальных труб в трубном пучке выявление и устранение неплотностей в сварных швах с трубной решеткой весьма затруднительно и во многих случаях недоступно, что усложняет как процесс изготовления скруббера, так и снижает ремонтопригодность теплоутилизатора. В-третьих, удаление возможных отложений на внешней поверхности плоскоовальных труб (со стороны запыленного газа) практически невозможно.
Задачей полезной модели является снижение материалоемкости устройства за счет увеличения интенсификации тепломассы обмена.
Это достигается тем, что скруббер-тсплоутилизатор состоит из последовательно расположенных бака конденсата, который включает патрубок входа горячего газа, форсунки, опорно-распределительные решетки, патрубок отвода конденсата и гидрозатвор. Трубного пучка, включающего кожух, внутри которого расположены трубы трубного пучка, закрепленные на трубных решетках, патрубки подвода нагреваемой и отвода нагретой воды; сепаратора, соединяемого с кожухом трубного пучка посредством конуса. На конусе жестко закреплены патрубки отвода конденсата, разъемно соединенные с трубками возврата конденсата. В верхней части сепаратора жестко закреплен выходной газовый патрубок. В предложенном решении трубки трубного пучка расположены вертикально и изготовлены из тонкостенных труб. В трубках имеются обжатия по контуру близкому к контуру труб Вентури.
Полезная модель поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображен предлагаемый скруббер-теплоутилизатор в осевом разрезе, на фиг. 2 трехходовой кран, на фиг. 3 обжатие трубки по контуру близкому к контуру труб Вентури.
Скруббер-теплоутилизатор состоит из последовательно расположенных конструктивных элементов. В нижней части скруббера-теплоутилизатора находится бак конденсата 1, средней части - трубный пучок 2, верхней части сепаратор 3.
Бак конденсата 1 включает жестко закрепленный, например сваркой, на своем корпусе патрубок входа горячего газа 4, который разъемно соединен с газоходом (на фиг. не показан). Форсунки 5 (одна или несколько), расположенных внутри корпуса бака кондесата и жестко соединенных, например сваркой, с ним. Над форсунками 5 разъемно установлены опорно-распределительные решетки 6 (одна или две). На одной из стенок бака жестко, например сваркой, закреплен гидрозатвор 7. На корпусе в нижней части бака жестко закреплен, например сваркой, патрубок отвода конденсата 8 на форсунки 5, посредством насоса 9 и соответствующими трубопроводами 10.
Трубный пучок 2 включает вертикально расположенный цилиндрический кожух 11, внутри которого вертикально расположены тонкостенные трубы, выполненные из коррозионно-стойких материалов и, например шовными. Нижние и верхние концы труб трубного пучка 2 вставлены в соответствующие им (круглые) отверстия, выполненные в нижней 12 и верхней 13 трубных решетах. Трубные решетки 12 и 13 жестко закреплены, например сваркой, на кожухе 11.
Соединение корпуса бака конденсата 1 с нижней трубной решеткой 12 трубного пучка выполняется разборным, например, фланцевым.
В межтрубном пространстве трубного пучка с определенным интервалом по высоте установлены сегментные перегородки 14 или другие известные типы перегородок [А.Д. Домашнев. Конструирование и расчет химических аппаратов, 1961. Стр. 416-420], через которые проходят трубки трубного пучка, а расстояние между перегородками фиксируется дистанционными трубками (на фиг. не показаны), через которые проходят стержни, вставляемые в гнезда (на фиг. не показаны), в нижней 12 и в верхней 13 трубных решетах. Трубки трубного пучка 2 имеют обжатия по контуру близкому к контуру труб Вентури 15 (фиг. 3). К цилиндрическому кожуху 11 трубного пучка 2 в верхней и нижней части жестко приварены патрубки соответственно подвода нагреваемой 17 и отвода нагретой 18 воды, например, для целей горячего водоснабжения, которые разъемно соединены с подводящим и отводящим трубопроводами (на фиг. не показаны).
Сепаратор 3, имеющий диаметр несколько больший диаметра корпуса трубного пучка 2, жестко соединен с верхней трубной решеткой 13 трубного пучка посредством конуса 19, жестко соединенного, например сваркой, с ними. На конусе жестко закреплены патрубки отвода кондесата 20. Они разъемно соединены с трубками возврата конденсата 21, на которых установлен трехходовой кран 22 (фиг. 2). Таким образом, внутренние полости труб трубного пучка сообщаются с объемом сепаратора 3 и далее с отводящим газоходом (па схеме не указан) соединенным с выходным газовым патрубком 23. В верхней части сепаратора жестко закреплен, например сваркой, выходной газовый патрубок 23.
Скруббер-теплоутилизатор работает следующим образом в начале бак конденсата 1 заполняется технической водой по уровень регулированным гидрозатвором 7. Включается насос 9 и техническая вода подается на форсунки 5. Затем через патрубок входа горячего газа 4 осуществляется подача горячих продуктов сгорания от теплотехнологического или теплоэнергетического оборудования, например, газа от котельных установок.
МТ
Следует отметить, что благодаря расположению трубного пучка вертикально продукты сгорания топлива, а именно газ проходит сруббер-теплоутилизатор снизу-вверх по его трубам трубного пучка при давлении близком к атмосферному. Давление внутри трубок снижается и появляется возможность применять тонкостенные трубки. Первичная обработка продуктов сгорания происходит в факелах диспергируемой форсунками 5 воды. В них газ начинает охлаждаться и увлажняться. Скорость газа в объеме размещения опорно-распределительных решеток 6 такова, что часть воды, диспергированной форсунками, транспортируется на решетки 6, на которых и накапливается. В самих опорно-распределительных решетках 6, выполняющих функции микротруб Вентури, и в пенно-барботажных слоях, образующихся на опорно-распределительных решетках, с одной стороны происходит доувлажнения газа и его охлаждение до состояния насыщения, а с другой стороны - нагревание воды, выходящей из форсунок 5, выполняющей функции промежуточного теплоносителя, до температуры, вплотную приближающейся к температуре мокрого термометра (t) продуктов сгорания. С такими параметрами продукты сгорания входят в трубки трубного пучка 2 и движутся по ним снизу-вверх, транспортируя капли технической воды, нагретые до температуры мокрого термометра, в виде двухфазного потока: газ-жидкость.
По межтрубному пространству трубного пучка сверху вниз, противотоком по отношению к вышеуказанному двухфазному потоку, огибая сегментные перегородки 14 движется нагреваемая вода, утилизирующая теплоту уходящих газов. В верхней части труб трубного пучка температура газов, находящихся в состоянии насыщения, достигает минимальной температуры (например, 30-35°С), задаваемой или принимаемой при расчете и конструировании скруббера. Через патрубок отвода нагретой 18 воды отводится вода, прошедшая по межтрубному пространству до температур близких к температуре мокрого термометра. На выходе из труб трубного пучка газы поступают в сепаратор 3, в котором скорость газа резко падает и происходит сепарация промежуточного теплоносителя - конденсата (в начале работы теплоутилизатора - техническая вода, постепенно замещается непрерывно генерируемым конденсатом). Конденсат возвращается по патрубкам отвода кондесата 20 и трубкам возврата конденсата 21 частично в бак, частично - на опорно-распределительные решетки, возврат конденсата на опорно-распределительные решетки позволяет отказаться от насоса 9, а требуемое количество конденсата возвращаемого на решетки регулируется трехходовым краном 22. Обжатие на трубках по контуру близкому к контуру труб Вентури 15 интенсифицируют тепломассообмен в восходящем двухфазном потоке газ-конденсат.
Известно, что при прохождении газа по трубкам на их стенках образуется пленка жидкости от конденсата. Обжатие трубок позволяет возвращать жидкость в центр трубок, где она за счет скорости потока «дробиться» на мелкие капли.
Охлажденный и с существенно меньшим влагосодержанием (до 20% от первоначального влагосодержания) газ удаляется из аппарата через патрубок отвода газа 23.
Предлагаемый скруббер-теплоутилизатор по сравнению с прототипом выигрывает в том, что за счет использования вертикальных тонкостенных труб круглого сечения трубного пучка, внутри которых движется двухфазный восходящий поток горячие газы-промежуточный теплоноситель, а по межтрубному пространству, огибая сегментные перегородки, противотоком по отношению к двухфазному потоку движется нагреваемая вода, что позволяет использовать тонкостенные шовные трубы (наиболее дешевые) из коррозионностойких материалов обычного круглого сечения, вставленные в круглые отверстия верхней и нижней трубных решеток, герметично соединенные с последними сварными швами, что снижает материалоемкость узлов из дорогостоящих коррозионно-стойких материалов всего аппарата, упрощает его конструкцию и технологию и снижает стоимость аппарата в целом; конструкция обеспечивает доступ практически ко всем сварным соединениям, в том числе швам, соединяющим трубы трубного пучка с трубными решетками, что обеспечивает повышенную ремонтоспособность; в предлагаемой конструкции скруббера-теплоутилизатора внутренние поверхности труб пучка омываются уходящими газами, которые могут быть загрязнены зольно-технологическим уносом, доступны для их очистки, например, ершами, сверлами и так далее.