CC BY
30444
Труды Инсторфа 11 (64)
УДК 622.73.002.5
Горфин О.С. Gorfin O.S.
Горфин Олег Семенович, к. т. н., проф. кафедры торфяных машин и оборудования Тверского государственного технического университета (ТвГТУ). Тверь, Академическая, 12. gorfin.oleg@yandex.ru Gorfin Oleg S., PhD, Professor of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University. Tver, Academicheskaya, 12
Зюзин Б.Ф. Zyuzin B.F.
Зюзин Борис Федорович, д. т. н., проф., зав. кафедрой торфяных машин и оборудования ТвГТУ pie-tver@mail.ru Zyuzin Boris F., Dr. Sc., Professor, Head of the Chair of Peat Machinery and Equipment of the Tver State Technical University
Михайлов А.В. Mikhailov A.V.
Михайлов Александр Викторович, д. т. н., профессор кафедры машиностроения, Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург, Ленинский пр., д. 55, корп. 1, кв. 635. epc68@mail.ru Mikhailov Alexander V., Dr. Sc., Professor of the Chair of Machine Building of the National Mining University, St. Petersburg, Leninsky pr., 55, building 1, Apt. 635
УСТРОЙСТВО THE DEVICE FOR DEEP
ДЛЯ ГЛУБОКОЙ UTILIZATION OF HEAT
УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА OF COMBUSTION GASES
ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА OF SUPERFICIAL TYPE
Аннотация. В статье рассмотрена конструкция теплоутилизатора, в которой изменен способ передачи утилизированной тепловой энергии от теплоносителя среде, воспринимающей теплоту, позволяющая утилизировать теплоту парообразования влаги топлива при глубоком охлаждении дымовых газов и полностью ее использовать на нагрев охлаждающей воды, направляемой без дополнительной обработки на нужды паротурбинного цикла. Конструкция позволяет в процессе утилизации теплоты осуществлять очистку дымовых газов от серной и сернистой кислот, а очищенный конденсат использовать в качестве горячей воды. Abstract. The article describes the design of heat exchanger, in which new method is used for transmitting of recycled heat from the heat carrier to the heat receiver. The construction allows to utilize the heat of the vaporization of fuel moisture while the deep cooling of flue gases and to fully use it for heating the cooling water allocated without further processing to the needs of steam turbine cycle. The design allows purifying of waste flue gases from sulfur and sulphurous acid and using the purified condensate as hot water.
Ключевые слова: ТЭЦ; котельные установки; теплоутилизатор поверхностного типа; глубокое охлаждение дымовых газов; утилизация теплоты парообразования влаги топлива. Key words: Combined heat and power plant; boiler installations; heat utilizer of superficial type; deep cooling of combustion gases; utilization of warmth of steam formation of fuel moisture.
Труды Инсторфа 11 (64)
45
В котельных тепловых электростанций энергия парообразования влаги т оплива вместе с дымовыми газами выбрасывается в атмосферу.
В газифицированных котельных потери теплоты с уходящими дымовыми газами могут достигать 25%. В котельных, работающих на твердом топливе, потери теплоты еще выше.
На технологические нужды ТБЗ в котельных сжигается фрезерный торф влажностью до 50%. Это значит, что половину массы топлива составляет вода, которая при сгорании превращается в пар и потери энергии на парообразование влаги топлива достигают 50%.
Уменьшение потерь тепловой энергии - это не только вопрос экономии топлива, но и снижение вредных выбросов в атмосферу.
Сокращение потерь тепловой энергии возможно при использовании теплоутилизаторов различных конструкций.
Конденсационные теплоутилизаторы, в которых охлаждение дымовых газов осуществляется ниже точки росы, позволяют утилизировать скрытую теплоту конденсации водяных паров влаги топлива.
Наибольшее распространение получили контактные и поверхностные теплоутилизаторы. Контактные теплообменники широко распространяются в промышленности и энергетике в связи с простотой конструкции, малой металлоемкостью и высокой интенсивностью теплообмена (скрубберы, градирни). Но они имеют существенный недостаток: происходит загрязнение охлаждающей воды вследствие ее контакта с продуктами сгорания - дымовыми газами.
В этом отношении более привлекательны поверхностные теплоутилизаторы, не имеющие непосредственного контакта продуктов сгорания и охлаждающей жидкости, недостатком которых является сравнительно низкая температура ее нагрева, равная температуре мокрого термометра (50...60 °С).
Достоинства и недостатки существующих теплоутилизаторов широко освещены в специальной литературе [1, 2].
Эффективность поверхностных теплоутилизаторов можно существенно повысить, изменив способ теплообмена между средой, отдающей теплоту и ее воспринимающей, как это сделано в предлагаемой конструкции теплоутилизатора [3].
Схема теплоутилизатора для глубокой утилизации тепла дымовых газов показана
на рисунке. Корпус 1 теплоутилизатора опирается на основание 2. В средней части корпуса установлен изолированный резервуар 3 в виде призмы, заполненный предварительно очищенной проточной водой. Вода поступает сверху через патрубок 4 и удаляется в нижней части корпуса 1 насосом 5 через шибер 6.
С двух торцевых сторон резервуара 3 расположены изолированные от средней части рубашки 7 и 8, полости которых через объем резервуара 3 соединены между собой рядами горизонтальных параллельных труб, образующих пучки труб 9, в которых газы перемещаются в одну сторону. Рубашка 7 разделена на секции: нижнюю и верхнюю одинарные 10 (высотой h) и остальные 11 - двойные (по высоте 2h); рубашка 8 имеет секции только двойные 11. Нижняя одинарная секция 10 рубашки 7 пучком труб 9 соединена с нижней частью двойной секции 11 рубашки 8. Далее верхняя часть этой двойной секции 11 рубашки 8 пучком труб 9 соединена с нижней частью следующей двойной секции 11 рубашки 7 и так далее. Последовательно верхняя часть секции одной рубашки соединена с нижней частью секции второй рубашки, а верхняя часть этой секции соединена пучком труб 9 с нижней частью следующей секции первой рубашки, образуя, таким образом, змеевик переменного сечения: пучки труб 9 периодически чередуются объемами секций рубашек. В нижней части змеевика расположен патрубок 12 - для подвода дымовых газов, в верхней части - патрубок 13 для выхода газов. Патрубки 12 и 13 соединены между собой байпасным газоходом 4, в котором установлен шибер 15, предназначенный для перераспределения части горячих дымовых газов в обход теплоутилизатора в дымовую трубу (на рисунке не показана).
Дымовые газы поступают в теплоутилизатор и разделяются на два потока: в нижнюю одинарную секцию 10 (высотой h) рубашки 7 поступает основная часть (около 80%) продуктов сгорания и по трубам пучка 9 направляется в змеевик теплоутилизатора. Остальная часть (около 20%) поступает в байпасный газоход 14. Перераспределение газов производится для повышения температуры остывших дымовых газов за теплоутилизатором до 60-70 °С с целью предотвращения возможной конденсации остатков паров влаги топлива в хвостовых участках системы.
Дымовые газы подводятся к теплоутилизатору снизу через патрубок 12, а удаляются в
46
Труды Инсторфа 11 (64)
Рисунок. Схема теплоутилизатора (вид А - соединение труб с рубашками) Figure. The scheme of the heatutilizer (a look A - connection of pipes with shirts)
верхней части установки - патрубок 13. Предварительно подготовленная холодная вода заполняет резервуар сверху через патрубок 4, а удаляется насосом 5 и шибером 6, расположенными в нижней части корпуса 1. Противоток воды и дымовых газов повышает эффективность теплообмена.
Перемещение дымовых газов через теплоутилизатор осуществляется технологическим дымососом котельной. Для преодоления дополнительного сопротивления, создаваемого теплоутилизатором, возможна установка более мощного дымососа. При этом следует иметь в виду, что дополнительное гидравлическое сопротивление частично преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания в связи с конденсацией водяного пара дымовых газов.
Конструкция теплообменника обеспечивает не только эффективную утилизацию теплоты парообразования влаги топлива, но и удаление образующегося конденсата из потока дымовых газов.
Объем секций рубашек 7 и 8 больше объема соединяющих их труб, поэтому скорость газов в них снижается.
Дымовые газы, поступающие в теплоутилизатор, имеют температуру 150-160 °С. Серная и сернистая кислоты конденсируются при температуре 130-140 °С, поэтому конденсация кислот происходит в начальной части змеевика. При снижении скорости газового потока в расширяющихся частях змеевика -секциях рубашки и увеличении плотности конденсата серной и сернистой кислот в жидком состоянии по сравнению с плотностью в газообразном состоянии, многократном изменении направления движения потока дымовых газов (инерционная сепарация) конденсат кислот выпадает в осадок и вымывается из газов частью конденсата водяных паров в конденсатосборник кислот 16, откуда при срабатывании затвора 17 удаляется в промышленную канализацию.
Большая часть конденсата - конденсат водяных паров выделяется при дальнейшем понижении температуры газов до 60-70 °С в верхней части змеевика и поступает в конденсатосборник влаги 18, откуда без дополнительной обработки может использоваться в качестве горячей воды.
Труды Инсторфа 11 (64)
47
Трубы змеевика необходимо изготавливать из антикоррозийного материала или с внутренним антикоррозийным покрытием. Для предотвращения коррозии все поверхности теплоутилизатора и соединительных трубопроводов следует гуммировать.
В данной конструкции теплоутилизатора дымовые газы, содержащие пары влаги топлива, перемещаются по трубам змеевика. Коэффициент теплоотдачи при этом составляет не более 10 000 Вт/(м2 • °С), за счет чего резко повышается эффективность теплообмена. Трубы змеевика находятся непосредственно в объеме охлаждающей жидкости, поэтому теплообмен происходит постоянно контактным способом. Это позволяет осуществить глубокое охлаждение дымовых газов до температуры 40-45 °С, причем вся утилизированная теплота парообразования влаги топлива передается охлаждающей воде. Охлаждающая вода не контактирует с дымовыми газами, поэтому может без дополнительной обработки использоваться в паротурбинном цикле и потребителями горячей воды (в системе горячего водоснабжения, подогрев обратной сетевой воды, технологические нужды предприятий, в тепличных и парниковых хозяйствах и т. д.). В этом главное достоинство предлагаемой конструкции теплоутилизатора.
Преимуществом предлагаемого устройства является также то, что в теплоутилизаторе регулируется время передачи теплоты от среды горячих дымовых газов охлаждающей жидкости, а следовательно ее температуры, изменением расхода жидкости с помощью шибера.
Для проверки результатов использования теплоутилизатора произведены тепло-техниче-ские расчеты котельной установки паропроизводительностью котла 30 т пара/ч (температура 425 °С, давление 3,8 МПа). В топке сжигается 17,2 т/ч фрезерного торфа влажностью 50% [4].
В торфе влажностью 50% содержится 8,6 т/ч влаги, которая при сжигании торфа переходит в дымовые газы.
Расход сухого воздуха (дымовых газов)
Gfl. г. = а х L х G,^^ = 1,365 х 3,25 х 17 200 = 76 300 кГ д. г. / ч,
где L = 3,25 кГ сух. г /кГ торфа - теоретически необходимое количество воздуха для горения; а =1,365 - средний коэффициент подсоса воздуха.
1. Теплота утилизации дымовых газов Энтальпия дымовых газов
J = ссм х t + 2,5 d, ^ж/кГ. сух. газ,
где ссм - теплоемкость дымовых газов (теплоемкость смеси), ^ж/кГ °К, t - температура газов, °К, d- влагосодержание дымовых газов, Г. влаги/кГ. д. г.
Теплоемкость смеси
ссМ = сг + 0,001dcn,
где сг, сп - теплоемкость соответственно сухого газа (дымовых газов) и пара.
1.1. Дымовые газы на входе в теплоутилизатор температурой 150 - 160 °С, принимаем Ц. г. = 150 °С; сп = 1,93 - теплоемкость пара; сг = 1,017 - теплоемкость сухих дымовых газов при температуре 150 °С ; d150, Г/кГ. сух. г - влагосодержание при 150 °С.
d150 = GM./Gfl. г. = 8600 /76 300 х 103 =
112,7 Г/кГ. сух. г,
где Gвл. = 8600 кГ/ч - масса влаги в топливе. ссм =1,017 + 0,001 х 112,7 х 1,93 = 1,2345 ^ж/кГ.
Энтальпия дымовых газов J150 = 1,2345 х 150 + 2,5 х 112,7 = 466,9 ^ж/кГ.
1.2. Дымовые газы на выходе из теплоутилизатора температурой 40 °С
ссм = 1,017 + 0,001 х 50 х 1,93 = 1,103 ^ж/кГ °С.
d40 =50 Г/кГ сух г.
J40 = 1,103 х 40 + 2,5 х 50 = 167,6 ^ж/кГ.
1.3. В теплоутилизаторе 20% газов проходят по байпасному газоходу, а 80% - через змеевик.
Масса газов, проходящая через змеевик и участвующая в теплообмене
GзМ = 0,8Gfl. г. = 0,8 х 76 300 = 61 040 кГ/ч.
1.4. Теплота утилизации
Отл = (J150 - J40 ) х ^м = (466,9 - 167,68 ) х
61 040 = 18,26 х 106, ^ж/ч.
Эта теплота затрачивается на нагрев охлаждающей воды
Qx™= W х св х ( t2 - t4 ),
где W- расход воды, кГ/ч; св = 4,19 ^ж/кГ °С -теплоемкость воды; t 2, t4 - температура воды
48
Труды Инсторфа 11 (64)
соответственно на выходе и входе в теплоутилизатор; принимаем tx = 8 °С.
2. Расход охлаждающей воды, кГ/с
W=Qyra /(св х (t2 - 8) = (18,26 / 4,19) х 106 / (t2 - 8)/3600 = 4,36 х 106/ (t2 -8) х 3600.
Используя полученную зависимость, можно определить расход охлаждающей воды необходимой температуры, например:
^, °С 25 50 75
W, кГ/с 71,1 28,8 18,0
3. Расход конденсата G^^ составляет:
^онд = GBM(d150 - d40 ) = 61,0 х (112,7 - 50) =
3,825 т/ч.
4. Проверка возможности конденсации остатков влаги парообразования топлива в хвостовых элементах системы.
Среднее влагосодержание дымовых газов на выходе из теплоутилизатора
^р = ( d150 х 0,2 Gд. г. + d40 х 0,8 Gд. г.) / GA г1 =
112,7 х 0,2 + 50 х 0,8 =62,5 Г/кГ сух. г.
По J-d-диаграмме этому влагосодержанию соответствует температура точки росы, равная tp. р. = 56 °С.
Фактическая температура дымовых газов на выходе из теплоутилизатора равна
tcjmKT = ti50 х 0,2 + t40 х 0,8 = 150 х 0,2 + 40 х 0,8 = 64 °С.
Так как фактическая температура дымовых газов за теплоутилизатором выше точки росы, конденсации паров влаги топлива в хвостовых элементах системы происходить не будет.
5. Коэффициент полезного действия
5.1. Коэффициент полезного действия утилизации теплоты парообразования влаги топлива.
Количество теплоты, подведенное к теплоутилизатору
Q^h = J150 х Gft г = 466,9 х 76 300 =
35,6 х 106, М Dж/ч.
КПДутл. Q = (18,26 /35,6) х 100 = 51,3%,
где 18,26 х 106, МDж /ч - теплота утилизации парообразования влаги топлива.
5.2. Коэффициент полезного действия утилизации влаги топлива
КПДутл. W = ^конд / W ) х 100 = (3825 / 8600) х 100 = 44,5%.
Таким образом, предлагаемый теплоутилизатор и способ его работы обеспечивают глубокое охлаждение дымовых газов. За счет конденсации паров влаги топлива резко повышается эффективность теплообмена между дымовыми газами и охлаждающей жидкостью. При этом вся утилизированная скрытая теплота парообразования передается для нагрева охлаждающей жидкости, которая без дополнительной обработки может использоваться в паротурбинном цикле.
В процессе работы теплоутилизатора происходит очистка дымовых газов от серной и сернистой кислот, в связи с чем конденсат паров может использоваться для горячего теплоснабжения.
Расчеты показывают, что коэффициент полезного действия составляет:
• при утилизации теплоты парообразования
влаги топлива - 51,3%
• влаги топлива - 44,5%.
Список литературы
1. Аронов, И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. - Л.: Недра, 1990. - 280 с.
2. Кудинов, А.А. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. - М.: Машиностроение, 2011. - 373 с.
3. Пат. 2555919 (RU).(51) МПК F22B 1|18 (20006.01). Теплоутилизатор для глубокой утилизации тепла дымовых газов поверхностного типа и способ его работы /
О.С. Горфин, Б.Ф. Зюзин // Открытия. Изобретения. - 2015. - № 19.
4. Горфин, О.С., Михайлов, А.В. Машины и оборудование по переработке торфа. Ч. 1. Производство торфяных брикетов. - Тверь: ТвГТУ 2013. - 250 с.
