CC BY
49148
Труды Инсторфа 10 (63)
УДК 622.73.002.5
Горфин О.С.
Горфин Олег Семенович, к. т. н., профессор кафедры торфяных машин и оборудования Тверского государственного технического университета. 170023. Тверь, ул. Академическая, 12. [email protected]
УСТРОЙСТВО ДЛЯ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА НА ПРИМЕРЕ
сжигания фрезерного
ТОРФА
Аннотация. Преимуществом предлагаемого устройства для утилизации тепла дымовых газов является регулирование временем передачи теплоты от среды горячих дымовых газов охлаждающей жидкости изменением скорости ее перемещения с помощью шибера. Расход охлаждающей жидкости зависит от ее температуры. Утилизированная теплота парообразования влаги топлива передается охлаждающей воде, которая без дополнительной обработки используется в паротурбинном цикле.
Ключевые слова: утилизация тепла, торф, дымовые
Gorfin O.S.
Gorfin Oleg S., Ph.D., Professor of the Chair of Peat Machines and Equipment of the Tver State Technical University. 170023, Tver, Academicheskaya st., 12. [email protected]
DEVICE OF THE SURFACE TYPE FOR DEEP UTILISATION OF HEAT FROM COMBUSTION ON THE EXAMPLE OF BURNING OF MILLED PEAT
Abstract. Advantage of the offered device for utilization of heat of combustion gases is regulation of time of transfer of heat from the hot combustion gases to the cooling liquid by means of the change of speed of flowing the liquid with a shiber. The discharge of the cooling liquid depends on its temperature. The utilized heat of evaporation of water containing in fuel is transferred to the cooling water which is used without additional processing in a steam-turbine cycle.
Key words: heat recovery, peat, combustion gases
газы
Труды Инсторфа 10 (63)
49
Утилизация тепла дымовых газов является одной из важнейших задач энергосбережения, рационального расходования тепла и топлива. Главным недостатком тепловых электростанций, в связи с которым стоит вопрос о возможности их использования, являются тепловые выбросы в атмосферу. Наиболее перспективным решением этой проблемы является применение различных теплоутилизаторов, особенно таких конструкций, в которых осуществляется глубокое охлаждение дымовых газов.
На газифицированных котельных потери теплоты с уходящими газами при расчете по высшей теплоте сгорания топлива достигают 25%. При работе на твердом топливе повышенной влажности - угле, сланцах, торфе -потери теплоты еще более значительны.
Использование конденсационных теплоутилизаторов, в которых происходит охлаждение дымовых газов ниже точки росы, позволяет утилизировать скрытую теплоту конденсации водяных паров влаги применяемого топлива.
Наибольшее распространение получили контактные и поверхностные теплоутилизаторы. Контактные теплообменники широко распространяются в промышленности и энергетике (скрубберы, градирни) в связи с простотой конструкции, малой металлоемкостью, высокой интенсивностью теплообмена. Но они имеют существенный недостаток: загрязнение нагреваемой воды в связи с ее контактом с продуктами сгорания - дымовыми газами.
В этом отношении более привлекательны поверхностные теплоутилизаторы, в которых нет непосредственного контакта продуктов сгорания и нагреваемой жидкости, недостатком которых является сравнительно низкая температура нагрева жидкости, 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.
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 прямоугольного параллелепипеда, заполненный предварительно очищенной проточной водой. Вода поступает сверху через патрубок (4) и удаляется в нижней части корпуса (1) насосом (5) через шибер (6).
Рис. Схема теплоутилизатора
(вид А - соединение труб с рубашками)
Fig. Scheme of heat exchanger (type A - pipe connection with shirts)
С двух торцевых сторон резервуара (3) расположены изолированные от средней части корпуса (1) 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 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 верх-ней части - патрубок (13) для выхода газов. Патрубки (12 и 13) соеди-
50
Труды Инсторфа 10 (63)
нены между собой байпасным газоходом (14), в котором установлен шибер (15), предназначенный для перераспределения части горячих дымовых газов в обход теплоутилизатора в дымовую трубу (на рисунке не показана) для повышения температуры остывших дымовых газов с целью предотвращения возможной конденсации остатков паров влаги топлива в хвостовых участках системы. При необходимости возможна установка более мощного дымососа или дополнительного дымососа, обеспечивающих необходимую тягу. При этом следует иметь в виду, что дополнительное сопротивление, создаваемое в теплоутилизаторе, частично преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания.
Трубы змеевика, расположенные в шахматном порядке, изготовлены из антикоррозионного материала для предотвращения коррозии, все поверхности теплоутилизатора и соединительных трубопроводов гуммированы.
Дымовые газы подводятся к теплоутилизатору снизу через патрубок (12), а удаляются в верхней части установки - патрубок (13). Предварительно подготовленная холодная вода заполняет резервуар сверху через патрубок (4), а удаляется насосом (5), расположенным в нижней части корпуса (1) через шибер (6). Противоток потоков воды и дымовых газов повышает эффективность теплообмена. Использование насоса 5 с помощью шибера 6 позволяет регулировать время нахождения охлаждающей жидкости в установке и соответственно «глубину» утилизации теплоты парообразования влаги топлива. Охлаждающая вода нигде не контактирует с дымовыми газами и поэтому может полностью использоваться в качестве питательной в паротурбинном цикле.
Теплоутилизатор теплоты влаги дымовых газов предназначается для топок, работающих на малосернистом топливе. Начало конденсации паров серной и сернистой кислот происходит при температуре 130-140 °С, водяных паров - при 60-70 °С, охлаждение дымовых газов осуществляется до температуры 40-45 °С. Объем секций рубашек (7 и 8) больше объема труб, соединяющих их, поэтому скорость газов в них снижается. Сконденсированные кислоты имеют большую плотность по сравнению с водой, поэтому выпадают в осадок и вымываются из дымовых газов большим объемом сконденсированных паров воды в конденсатосборник кислот (16) и далее - в
промышленную канализацию, что соответственно снижает риск коррозии хвостовых участков газового тракта. Основная масса конденсата водяных паров через конденсатосборник (18) без дополнительной обработки используется в качестве горячей воды.
При функционировании теплоутилизатора влажные дымовые газы поступают внутрь и разделяются на две части: в нижнюю одинарную секцию (10) (высотой h) рубашки (7) поступает основная часть (около 80%) продуктов сгорания и по трубам пучка (9) змеевика перемещается в двойную секцию (11) (высотой 2h) рубашки (8). Остальная часть (около 20%) направляется в байпасный газоход (14).
Температура газов снижается в связи с тем, что трубы змеевика находятся в среде охлаждающей жидкости.
Точка росы серной и сернистой кислот составляет 120-130 °С, поэтому в трубах нижних секций происходит конденсация паров кислот. Объем секций рубашек больше объема пучков труб (9), в связи с чем скорость газов в секциях уменьшается, конденсат кислот выпадает из потока газов и конденсатом водяных паров смывается в конденсатосборник кислот (16) и далее при срабатывании затвора (17) - в промышленную канализацию.
Дымовые газы из верхней части секции (11) рубашки (8) по пучку труб (9) возвращаются в нижнюю часть секции (11) рубашки (7) и так далее через змеевик к выходному патрубку (13). Температура дымовых газов при движении по трубам змеевика уменьшается и, следовательно, конденсация водяных паров происходит позднее, чем конденсация кислот, - в верхней части теплоутилизатора и через конденсатосборник (18) поступает потребителям горячей воды. Расход охлаждающей воды регулируется шибером 6, за счет чего обеспечивается необходимая скорость перемещения охлаждающей жидкости в резервуаре и соответственно, время теплообмена, при котором температура дымовых газов понижается до 40-45 °С. Охлаждающая жидкость перекачивается насосом (5) через шибер (6) из теплоутилизатора и может полностью без дополнительной обработки использоваться в паротурбинном цикле.
Для исключения возможности конденсации остатков водяных паров в дымовой трубе к охлажденным газам добавляются исходные горячие дымовые газы по байпасному газоходу (14), обеспечивающие увеличение тем-
Труды Инсторфа 10 (63)
51
пературы до 60-65 °С, регулирование температуры осуществляется шибером (15).
В теплоутилизаторе дымовые газы, содержащие влагу топлива, с температурой 150160 °С перемещаются по трубам змеевика. Коэффициент теплоотдачи при этом за счет вынужденной конвекции газов с конденсацией водяного пара - металлическая стенка -составляет более 500 Вт/(м2 • °С). В предлагаемом устройстве трубы змеевика находятся непосредственно в объеме охлаждающей жидкости, поэтому теплообмен происходит постоянно контактным способом. Это позволяет осуществить более глубокое охлаждение топочных газов до температуры 40-45 °С, причем вся утилизированная теплота парообразования влаги топлива передается охлаждающей воде, которая без дополнительной обработки используется в паротурбинном цикле.
Серная и сернистая кислоты конденсируются при температуре 130-140 °С, поэтому конденсация кислот в предлагаемом теплоутилизаторе происходит в начальной части змеевика. Плотность конденсата кислот больше плотности водяных паров и при снижении скорости газового потока в расширяющихся частях змеевика - секциях рубашки конденсат кислот выпадает в осадок и вымывается из газов частью конденсата водяных паров в конденсатосборник кислот, откуда 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, откуда без дополнительной обработки может использоваться в качестве горячей воды.
Преимуществом предлагаемого устройства от известных является также то, что в теплоутилизаторе регулируется время передачи теплоты от среды горячих дымовых газов охлаждающей жидкости изменением скорости ее перемещения с помощью шибера. Причем расход охлаждающей жидкости зависит от ее температуры.
Для проверки результатов использования теплоутилизатора произведены теплотехнические 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% [3].
В торфяном фрезерном топливе влажностью 50% при сжигании образуется 8,6 т/ч влаги, которая переходит в дымовые газы.
Расход сухого воздуха (дымовых газов) в кгдг./ч составляет
Gd.г. = L • GmBW1 = 3,35 • 17200 = 55900,
где L = 3,25 кгсухг/кгторфа - теоретически необходимое количество воздуха для горения топлива.
Для повышения температуры дымовых газов перед дымовой трубой, исключающей конденсацию остатков паров влаги в трубе, 20% газов с исходной температурой 150 °С добавляются через байпасный газоход.
В этом случае температура дымовых газов перед выбросом в дымовую трубу равна 64 °С.
Согласно проведенным теплотехническим расчетам к теплоутилизатору подводится @сум = 31,9 • 103 МDж/ч теплоты парообразования влаги топлива; при температуре дымовых газов на входе tx = 150 °С и выходе - t2 = 40 °С в теплоутилизаторе утилизируется теплота Q^ = 18,01 • 103, МДж/ч.
Эта теплота затрачивается на нагрев охлаждающей воды. Расход охлаждающей воды 1Уохл вод. в зависимости от необходимой температуры 02 ее нагрева равен (кг/с)
№ох,. вод. = 0.ут / (02 - 01),
где 0Х - нормативная температура водопроводной воды.
Выход конденсата составляет 4642,0 т/ч. Коэффициент полезного действия теплоутилизатора при утилизации теплоты парообразования влаги топлива составляет 56,6%, а при утилизации влаги топлива - 54%.
Таким образом, предлагаемый теплоутилизатор имеет ряд преимуществ по сравнению с существующими конструкциями.
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. Горфин, О.С., Михайлов, А.В. Машины и оборудование по переработке торфа. - Ч. 1. Производство торфяных брикетов. - Тверь: ТвГТУ 2013. - 250 с.
