Рекуперация тепла дымовых газов контактным теплообменом Текст научной статьи по специальности «Химические технологии»

УДК 543.4:544.2 Р. Н. Хамидуллин

РЕКУПЕРАЦИЯ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ КОНТАКТНЫМ ТЕПЛООБМЕНОМ

Ключевые слова: дымовые газы, рекуперация тепла, контактный теплообмен.

Описывается технология рекуперация тепла дымовых газов для нагрева отходящими дымовыми газами потребителей через промежуточный жидкий теплоноситель непосредственным контактом. Приводятся результаты физического эксперимента на системе воздух-вода. Представлена технологическая схема промышленной системы рекуперации, ее описание и характеристики на примере выработки пара за счет сжигания природного газа. Рассмотрены ее преимущества и области применения.

Keywords: flue gas heat recovery, heat transfer contact.

Describes the technology of flue gas heat recovery to heat the flue gases in consumers through an intermediate heat transfer fluid by direct contact. Re-presents results ofphysical experiments on the air-water system. The technological scheme of industrial-feudal system recovery, its description and characteristics of the example of the production of steam by burning natural gas. Consider its advantages and applications.

Введение

В настоящее время руководители производственных предприятий и контролирующие органы ставят задачу рационального использования имеющихся энергоресурсов и оптимизации энергобаланса за счет модернизации производств и внедрении современных технических решений. Важным фактором снижения потребления энергоресурсов является снижение количества выбросов двуокиси углерода, оказывающее заметное влияние на глобальные изменения. В условиях растущих цен на энергоносители многие промышленные предприятия принимают активные действия в этом направлении.

Существующие системы рекуперации тепла [1], основаны на использовании поверхностных рекуперативных теплообменников [2]. Главным преимуществом подобных решений является простая схемы процесса и возможность нагрева целевого теплоносителя до высоких значений температур. Главным сдерживающим фактором внедрения настоящих систем рекуперации является металлоемкость оборудования, высокая стоимость всей системы в целом и большие габариты в результате низкого значения коэффициента теплопередачи [3]. Срок окупаемости данных систем составляет несколько лет и не стимулируется экономическими показателями.

Снизить капитальные затраты на систему рекуперации и соответственно срок окупаемости и ощутить экономическую выгоду могут современные решения, основанные на высокоэффективном контактном теплообмене.

Описание технологии

Технология рекуперации тепла заключается в непосредственном контакте горячего газа с охлажденной жидкостью. Принципиальным отличием настоящей технологии является использование в качестве охлаждающей жидкости собственного конденсата, который образуется в процессе охлаждения, что исключает использование расходных жидкостей [4]. Конденсат, образующийся в процессе охлаждения влажных газов, накапливается, отдает полученное тепло целевому теплоносителю и вновь возвращается

в процесс. Технологическая схема процесса рекуперации тепла представлена на рисунке 1.

Рис. 1 - Технологическая схема: 1 - контактный теплообменник, 2 - утилизатор тепла, 3 - емкость, 4 - сепаратор

Применение жидкости в качестве теплообмен-ной поверхности позволяет значительно увеличить поверхность и эффективность взаимодействия теплоносителей.

Конденсат является абсорбентом для физической абсорбции других газовых примесей, что позволяет извлекать из очищаемого газового потока компоненты, точка росы (или температурой конденсации) которых значительно ниже температуры проведения процесса. Данный процесс ускоряется дополнительно тем, что при низких температурах коэффициент распределения по закону Генри, характеризующий содержание поглощенного компонента в жидкости с равновесной его концентрацией в газе, снижается, что способствует увеличению количества поглощенного компонента в жидкости [5].

В качестве целевого теплоносителя может выступать исходная холодная вода при производстве пара и горячей воды на котельных, холодный, сухой воздух для обогрева и увлажнения бытовых или производственных помещений и т.д.

Экспериментальные исследования

Процесс выделения тепла из влажных газов прямым контактом с жидкостью был экспериментально изучен на модельной установке в системе

воздух-вода. Для наглядного сравнения входных и выходных характеристик газового потока, воздух на выходе подогревался до первоначальной температуры. Схема установки представлена на рисунке 2.

Слид боды

Рис. 2 - Схема модельной установки Таблица 1 - Свойства воздуха в эксперименте

Параметр Наименование точки

Вход воздуха в установку Выход воздуха из контактного теплообменника Выход воздуха из установки

Температура сухого термометра, 0С 28,9 9,6 28,8

Относительная влажность, % 61,3 93,0 28,1

Энтальпия, кДж/кг 67,65 26,77 46,33

Влагосодержание, г/кг 15,11 6,79 6,79

Температура мокрого термометра, ос 23,03 9,02 16,6

Температура точки росы, ос 20,69 8,52 8,52

Парциальное давление паров воды, кПа. 2,403 1,095 1,095

Результаты эксперимента (табл. 1) показывают, что энтальпия газового потока снижается после контакта с охлажденной жидкостью и подогрева до первоначальной температуры, что говорит о переходе скрытой теплоты парообразования газа в тепло орошающей жидкости.

Промышленная система рекуперации тепла дымовых газов

Примером реализации предлагаемой системы является рекуперации тепла дымовых газов котельной для выработки пара производственного назначения. Принципиальная схема представлена на рисунке 3. В качестве смесительного теплообменника, накопительной емкости предполагается использование емкости-сепаратора со слоем насадки.

Рис. 3 - Технологическая схема промышленной системы рекуперации тепла: 1 - исходный дымовой газ, 2 - охлажденный дымовой газ, 3 - цирку-лируемый конденсат, 4 - нагреваемый поток, 5 -сепаратор, 6 - теплообменник, 7 - дымосос, 8 - насос, 9 - дымовая труба

Преимуществами настоящей технологии являются:

- экономия до 10% потребляемого топлива (или увеличение количества вырабатываемого тепла);

- очистка отходящих газов;

- эффективный контактный теплообмен и отсутствие теплообменной поверхности взаимодействия с агрессивными газами;

- минимальный объем инвестиций;

- возможность выбора аппаратурного оформления процесса;

- низкое гидравлическое сопротивление;

Наиболее перспективными областями применения настоящей технологии рекуперации тепла являются следующие области:

- Рекуперация тепла на муниципальных или производственных котельных и ТЭЦ;

- Утилизация тепла аспирационных и отходящих технологических газов;

- Отопление помещений за счет тепла дымовых газов каминов или печек;

- Отопление и увлажнение теплиц за счет тепла дымовых газов ТЭЦ и котельных.

Остаются также и нерешенные вопросы по эксплуатации предлагаемой технологии, в числе которых накапливание кислых примесей в цирку-лируемом конденсате, возможная конденсация влажных газов на стенке дымовой трубы и др. Но в целом по мнению автора преимущества от высокоэффективного теплообмена больших объемов отходящих дымовых газов будут преобладающими

по сравнению с сопутствующими техническим нюансами реализации подобной технологии.

Заключение

Рассматриваемая технология позволяет увеличить выработку тепла при сжигании топлива на 10% за счет рекуперации энергии дымовых газов, снизить потребление энергоресурсов и негативное воздействие промышленных объектов на окружающую среду, а также обеспечить в целом эффективную эксплуатацию производственных объектов,

Настоящая технология не привязана к какому-либо аппаратурному оформлению и позволяет провести модернизацию производства на различном оборудовании в зависимости производственных условий того или иного предприятия. Предлагаемая система рекуперации требует минимальные капитальные и эксплуатационные затраты, может работать в сложных производственных условиях без снижения своей надежности.

Литература

1. Основы современной энергетики [Текст]: учеб.: в 2 т. / под ред. Е. В. Аметистова. - 5-е изд., стер. - М. : Изд-во Моск. энергет. ин-та, 2010. - Т.1:

2. Исследование системы приточно-вытяжной вентиляции с рекуперацией тепловой энергией. Каратаева Е.С., Казанцева Н.С. Вестник Казанского технологического университета. 2014. Т. 17. № 23. С. 320-321.

3. Примеры и задачи по курсу процессов и аппаратов химической технологии. Павлов К.Ф., Романков П.Г., Носков А.А. Издательство: Альянс, 2005 год. ISBN: 598

4. Хамидуллин Р.Н. Способ очистки газов, Патент на изобретение РФ № 2505341, НПО Пылеочистка, Бюл.№ 3, 2014.

5. Дытнерский Ю.И. Процессы и аппараты химической технологии. Учебник для вузов, ч.2 М: Химия, 2005. 400 с.

© Р. Н. Хамидуллин, канд. техн. наук, доц. каф. процессов и аппаратов химической технологии КНИТУ, 434@mail.ru.

© R. N. Khamidullin, Ph.D., Associate Professor of "Processes and devices of chemical technology" department of Kazan national research technological university, 434@mail.ru.