Рис. 6. Схема утилизации теплоты уходящих газов:

а - для закрытой тепловой сети; б - для открытой тепловой сети; в - для открытой тепловой сети с использованием промежуточного теплообменника; 1 - водогрейный котел; 2 - оборудование химводоочистки и деаэрации тепловой сети; 3 - контактный охладитель газов; 4 - теплообменник подогрева подпиточной воды; 5 - контактный воздухоподогреватель; 6 - калорифер догрева воздуха; 7 - насос подпиточной воды

В случае работы установки без теплообменника 4 сырая вода после скруббера-охладителя газов 3 отбирается из циркуляционного контура и подается непосредственно на химводоочистку (ХВО) и деаэрацию 2 тепловой сети.

В летнем режиме воздухоподогреватель отключается вместе с циркуляицонным контуром и насосом циркуляции, а вся подпиточная вода после охлаждения газов из скруббера 3 подается на ХВО и деаэрацию.

При максимальной нагрузке, когда выпаривается вода из циркуляционного контура, последний пополняется сырой водой, а при средних нагрузках, когда происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания, они используются для подпитки тепловой сети, что составляет около 6,75 % от расхода подпиточной воды.

Утилизация теплоты уходящих газов котла, работающего на открытую систему теплоснабжения, предусматривает подогрев только подпиточной воды.

Схема утилизации теплоты дымовых газов для открытой тепловой сети показана на рис. 6, б, где нагрев подпиточной воды осуществляется непосредственно в скруббере и при температуре около 60 ºС подается в ХВО и деаэрацию тепловой сети.

При необходимости в циркуляционный контур может быть включен промежуточный теплообменник, в котором нагрев подпиточной воды будет производиться с помощью орошающей воды, т.е. подпиточная вода не будет иметь прямого контакта с продуктами сгорания (рис. 6, в).

В схеме для открытой системы теплоснабжения вся подпиточная вода подогревается в контактном охладителе газов до температуры около 30 % и подается на ХВО и деаэрацию. Включение в контур утилизации воздухоподогревателя для открытой тепловой сети нецелесообразно вследствие наличия большого количества воды, достаточного для эффективного охлаждения продуктов сгорания. В случае закрытой системы теплоснабжения ввиду недостаточного количества охлаждающей воды в контур утилизации включен воздухоподогреватель. Опыт работы системы теплоснабжения показал, что при обработке воды на фильтрах в катионитном КУ-2 и вакуумной деаэрацией практически полностью уходят из воды продукты неполного сгорания топлива, растворенные в процессе прохождения воды и газа в контактном экономайзере.

Для снижения коррозионных повреждений в дымовой трубе часть газов по байпасной линии перепускается мимо охладителя газов.

Утилизационное оборудование разрабатывалось как нестандартное применительно к конкретным объектам.

Технико-экономические показатели системы приведены в табл. 8.

Таблица 8

Технико-экономические показатели систем утилизации теплоты уходящих газов котла КВГМ-180 [11]

Система утилизации теплоты уходящих газов

Среднегодовая экономия газа, %

Годовой экономический эффект от применения утилизации, руб/год

Подогрев воздуха и подпиточной воды (для закрытой системы теплоснабжения)

5,2

224,19

Подогрев подпиточной воды (для открытой системы теплоснабжения):

 

 

в промежуточном теплообменнике

11,4

529,61

непосредственно в охладителе газов

12,3

583,78

Недостатком использования контактных теплообменников является наличие подогретой орошающей воды, насыщенной углекислотой, нагрев воздуха в отдельном контактном воздухоподогревателе к подаче сильно увлажненного воздуха в топку котла, что приводит к снижению температуры дымовых газов в топке и снижению производительности котла. Для устранения этих недостатков предложены схемы утилизации теплоты, в которые включены контактные подогреватели со встроенными декарбонизаторами.

Принципиальная схема утилизации теплоты дымовых газов, с применением поверхностного воздухоподогревателя представлена на рис. 7, а. Охлаждающая вода подается сверху в контактный теплообменник навстречу восходящему потоку газов. Нагреваясь, вода поступает в декарбонизатор 2 через гидрозатворы 3. В декарбонизаторе вода продувается воздухом и подастся в теплообменник 4, где нагревает сырую или химическую очищенную воду, затем снова по замкнутому контуру направляется в контактный теплообменник. Воздух в декарбонизаторе 2 нагревается, увлажняется и подается в поверхностный воздухоподогреватель, где за счет конденсации паров нагревает воздух, поступающий на атмосферы, при этом сам осушается. После смещения оба потока воздуха подаются в топку котла.

Подобная установка имеет сменное аппаратурное оформление и ее использование целесообразно с целью увеличения тепловой мощности котельной. В этом случае необходимо использовать весь объем газов, а для предотвращения конденсации водяных паров следует смешивать их с высокотемпературными дымовыми газами, образованными при сжигании дополнительного количества топлива. Для этой цели перед дымососом предусмотрена смесительная камера 7 в дымоходе с патрубком, в котором расположены горелки 8, благодаря которым осуществляется подогрев уходящих газов за 25-50 ºС.

В том случае, когда утилизация теплоты дымовых газов имеет целью снижение расхода топлива, может быть использована установка, принципиальная схема которой приведена на рис. 7, б.

Увлажненный воздух засасывается из декарбонизатора в контактный теплообменник и выбрасывается вместе с дымовыми газами через дымовую трубу в атмосферу, а для предотвращения конденсации водяных паров производится байпасирование дымовых газов.

Рис. 7. Схема утилизации теплоты дымовых газов котла КВГМ-180:

а - утилизация с воздухоподогревателем; б - утилизация с обводным газоходом; 1 - контактный подогреватель циркулирующей воды; 2 - декарбонизатор; 3 - гидрозатворы; 4 - теплообменник; 5 - насос; 6 - воздухоподогреватель; 7 - смесительный газоход; 8 - горелка

Имеются разработки контактно-декарбонизационного экономайзера пропускной способностью по дымовым газам 70-85 и 140-165 тыс. нм3/ч.

Для котлов теплопроизводительностью свыше 100 Гкал/ч конструкции теплоутилизаторов дымовых газов находятся на стадии опытных разработок и дальнейшее развитие могут получить только при стимулировании за экономию топливно-экономических ресурсов.

При всей привлекательности использования контактных теплообменников при утилизации теплоты уходящих газов котлов основной недостаток установок - поглощение водой из продуктов сгорания углекислоты и кислорода и приобретение ею таким образом коррозионно-агрессивных свойств - сдерживает широкое применение таких теплообменников. Для нормальной работы установок необходимо проводить декарбонизацию, деаэрацию воды, что в ряде случаев затрудняет использование орошающей воды.

В связи с этим внимание обращается на использование конденсационных поверхностей нагрева. Поверхность теплообмена конденсационных поверхностей нагрева значительно более развита по сравнению с обычными экономайзерами. Конденсационные теплообменники имеют также высокий КПД, как и контактные теплообменники, но являются более металлоемкими конструкциями. В то же время отсутствие непосредственного контакта между продуктами сгорания и нагреваемой водой делает их предпочтительными с точки зрения качества подогреваемой воды.

В настоящее время для целей утилизации теплоты в процессах вентиляции и кондиционирования разработаны и выпускаются промышленностью биметаллические теплообменники, представляющие собой ряд труб с насаженными на них ребрами из сплава алюминия. Алюминий имеет высокую теплопроизводительность и антикоррозионные свойства, что позволяет использовать его в конденсационных процессах теплообмена.

Для обеспечения бескоррозионной работы газоходов и дымовой трубы необходимо обеспечить подсушку уходящих дымовых газов. Для этой цели часть дымовых газов по байпасному газоходу перепускается мимо утилизаторов.

Схема с подогревом дымовых газов после утилизатора приведена на рис. 8, а.

Дымовые газы проходят через утилизаторы, в которых охлаждаются омагниченной водой со 190 до 40 °С. При этом по расчету конденсируется около 1,13 кг/м3 газа. Конденсат отводится из газохода через гидрозатвор. Около 20 % капель конденсата будет унесено потоком газа. По ходу дымовых газов устанавливается калорифер II ступени, осуществляющий подогрев дымовых газов до 70 °С, т.е. выше точки росы для предотвращения процессов конденсации в дымовой трубе и подводящих газоходах.

Греющей средой является вода внутреннего контура циркуляции.

Схема утилизации теплоты дымовых газов с частичным перепуском дымовых газов по байпасу приведена на рис. 8, б.

По схеме часть потока газов (примерно 70 %) проходит через утилизаторы, где охлаждается до температуры 40 ºС, т.е. «ниже точки росы», при этом происходит конденсация части водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Около 30 % газов перепускается по обводному газоходу и, смешиваясь с газом, прошедшим через утилизатор, охлаждается до 70-80 ºС.

Конденсат, образовавшийся в теплоутилизаторе, отводится через гидрозатвор в бак. Поскольку конденсат является обессоленной водой, в отопительный период его используют для приготовления подпиточной воды, летом сбрасывают в продувочный колодец, так как использование его на виды потребления, где требуется вода питьевого качества, недопустимо.

Количество конденсата может достигать около 1 кг/м3 газа, что создает дополнительный резерв для экономии воды в котельных.

Технические характеристики конденсационных теплоутилизаторов, которые могут применяться в котельных для нагрева воды [11], приведены в табл. 9, 10.

Рис. 3. Схема подключения конденсационных утилизаторов теплоты дымовых газов:

а - с подогревом газов; б - с байпасированием газов; 1 - котел; 2 - конденсационный утилизатор; 3 - теплообменник; 4 - бак для сбора конденсата; 5 - бак системы горячего водоснабжения

Таблица 9

Техническая характеристика калориферов КСК3-02хЛЗА и КСК4-С2хЛЗА

Марка калорифера

Площадь поверхности теплообмена со стороны воздуха, м2

Площадь фронтального сечения, м2

Площадь сечения для прохода теплоносителя, м2

Площадь сечения патрубка, м2

Площадь сечения распределительно-сборных коллекторов, м2

Число ходов для движения теплоносителя

Длина теплопередающей трубки, м

Масса, кг, не более

КСК3-6-02

13,26

0,267

0,000846

0,001006

0,00172

6

0,53

38

КСК3-7-02

16,34

0,329

0,000846

0,001006

0,00172

6

0,655

44

КСК3-8-02

19,42

0,392

0,000846

0,001006

0,00172

6

0,78

50

КСК3-9-02

22,5

0,455

0,000846

0,001006

0,00172

6

0,905

56

КСК3-10-02

28,66

0,581

0,000846

0,001006

0,00172

6

1,155

68

КСК3-11-02

83,12

1,66

0,002576

0,002205

0,00172

6

1,655

176

КСК3-12-02

125,27

2,488

0,003881

0,002205

0,00172

6

1,655

259

КСК4-6-02

17,42

0,267

0,001112

0,001006

0,0022

6

0,53

45

КСК4-7-02

21,47

0,329

0,001112

0,001006

0,0022

6

0,655

53

КСК4-8-02

25,52

0,392

0,001112

0,001006

0,0022

6

0,78

61

КСК4-9-02

29,57

0,455

0,001112

0,001006

0,0022

6

0,905

68

КСК4-10-02

37,66

0,581

0,001112

0,001006

0,0022

6

1,155

85

КСК4-11-02

110,05

1,66

0,00341

0,002205

0,0022

6

1,655

223

КСК4-12-02

166,25

2,488

0,005151

0,002205

0,0022

6

1,655

331

Кафедрой теплогазоснабжения ВЗПИ предложены решения по применению конденсационных утилизаторов для утилизации теплоты продуктов сгорания и нагрева подпиточной воды для централизованного горячего водоснабжения. Схема с непосредственным нагревом сырой воды в конденсационном теплообменнике приведена на рис. 9, а. Вода нагревается до 50-55 °С, затем окончательно догревается в водоводяном теплообменнике, откуда поступает в бак-аккумулятор и далее в систему горячего водоснабжения. Подпиточная сырая вода нагревается в первой секции калорифера до 30-35 °С, затем направляется на ХВО, после которой умягченная вода догревается во второй секции калорифера.