По данным разработчика схемы, система утилизации теплоты продуктов сгорания для котлов на газе, включая только подогрев воздуха и подпиточной воды, дает возможность экономить в отопительный период и в летнем режиме горячего водоснабжения соответственно 4,3 и 8,1 % топлива. Для котлов на твердом топливе эти величины составляют соответственно 2,5 и 11,2 %.
При дополнительной установке одной серийной бромисто-литиевой абсорбционной машины типа АБМХ-3000Т с тепловой нагрузкой испарителя 3,9 МВт, температурой воды на выходе из испарителя 28 ºС соответственно 150 и 65 ºС дополнительная экономия газообразного топлива в отопительный период составит 0,85-3,2 % в зависимости от схем регулирования нагрузки КВГМ-180, а летом 1,2-1,9 %.
Суммарная экономия топлива при работе воздухоподогревателя, подогревателя подпиточной воды и теплового насоса составит в отопительный период 5,1-7,5, а в летний - 9,3-10 %.
Для котлоагрегата на твердом топливе установка теплового насоса дает дополнительную экономию топлива 5,8 %, а суммарная экономия с подогревом воздуха и воды составит 8,2 %.
Годовой расход электроэнергии на одну машину типа АБХМ-3000Т составляет около 835 тыс. кВт · ч. Годовой экономический эффект от применения двух тепловых насосов данного типа для КВГМ-180 вместе с подогревом воздуха и подпиточной воды составляет около 360 тыс. руб.
Для котлоагрегата КВТК-100-150, работающего на бурых углях, суммарный экономический эффект при дополнительной установке одной машины вместе с подогревом воды и воздуха составляет около 16 тыс. руб/год.
Схема утилизации теплоты дымовых газов, потребителем для которого является установка для выработки электрического тока [15], приведена на рис. 11.
Дымовые газы с температурой 200-270 °С и объемом 15-20 тыс. нм3/ч поступают от дымососа в подогреватель 1, затем испаритель 2, и, охладившись, сбрасываются в дымовую трубу. Полученный в испарителе пар с давлением 18-25 бар и температурой 140-160 ºС поступает на турбину 6, приводящую в движение электрогенератор 5, вырабатывающий 70-120 кВт мощности.
В качестве рабочей среды используется галогенный углеводород Р11. Рабочая среда, пройдя через турбину, поступает в основной конденсатор 7, подогревая подпиточную воду. Избыток теплоты реализуется в дополнительном конденсаторе для подогрева исходной воды. После этого рабочая среда проходит через фильтры, где подвергается осушке и подается снова в подогреватель.
Основные технические и стоимостные данные установки ОКС приведены ниже.
Рис. 11. Схема утилизации теплоты дымовых газов для выработки электроэнергии:
1 - подогреватель; 2 - испаритель; 3 - сборник; 4 - распределительная панель; 5 - генератор; 6 - турбина; 7 - основной конденсатор; 8 - дополнительный конденсатор; 9 - бак; 10 - фильтр
Рабочая среда Р11
Источник тепловой энергии Дымовые газы с температурой максимально 270 ºС, минимально 200 ºС, объемом 15-20 тыс. нм3/ч
Температура уходящих газов, ºС 110
Максимальная мощность на валу турбины, кВт 140
Мощность электрогенератора, кВт 120/70
Параметры турбины:
на входе Давление пара 18-25 бар, t = 140-160 ºС
на выходе Давление пара 3-6 бар, t = 60-85 °С
Охлаждающая среда в конденсаторе Подпиточная вода (нагревается при t = 20-80 ºС) и исходная
Капитальные вложения*, тыс. марок ФРГ 367
Удельная стоимость вырабатываемой мощности,
марок ФРГ на 1 кВт 2625
* Без подогревателя, испарителя, конденсаторов и трубопроводов.
Эта установка позволяет часть собственных нужд в электроэнергии покрывать за счет вырабатываемой электроэнергии на тепловой энергии дымовых газов.
Стоимость установки достаточно высока и ее использование может быть оправдано только высокой стоимостью топливно-энергетических ресурсов.
ОСОБЕННОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В КОТЕЛЬНЫХ, РАБОТАЮЩИХ НА ЖИДКОМ ТОПЛИВЕ
Большая часть котельных работает на газовом топливе, однако в соответствии с действующими нормами и правилами подавляющее большинство котельных, работающих на газе, имеет резервный вид топлива - мазут. Длительность работы котельных на мазуте зависит от выделяемого лимита природного газа и колеблется в широких пределах от нескольких дней до нескольких месяцев.
В разработанной конструкции КТАНа-утилизатора отсутствуют элементы, необходимые для работы на дымовых газах, образующихся при сжигании мазута, отсутствуют антикоррозионные покрытия активной насадки и корпуса КТАНа, не решен вопрос удаления из контура орошения кислого конденсата дымовых газов. Поэтому при переходе котельной на работу на резервном виде топлива - мазуте - установленные в котельной КТАНы-утилизаторы необходимо плотно отключить от газового тракта и пропустить газы по обводному газоходу непосредственно в дымовую трубу. Необходимо иметь в виду, что точка росы для дымовых газов, содержащих сернистый ангидрид, около 140 ºС при сжигании мазута.
Целесообразно котельные небольшой мощности обеспечить полностью газовым топливом, увеличив количество сжигаемого мазута на более крупных источниках. В этом случае экономически справедливыми будут мероприятия по очистке дымовых газов от сернистого ангидрида. Одним из элементов этих устройств может быть КТАН соответствующей конструкции, который наряду с очисткой дымовых газов будет выполнять и свою функцию теплоутилизатора.
В принципе, для работы на жидком топливе могут быть использованы те же утилизаторы, что и для газовых котельных, но специфика продуктов сгорания требует особого подхода к использованию утилизационного оборудования.
Вопрос утилизации теплоты дымовых газов котлов малой мощности 20-1000 кВт наиболее рационально решен в Западной Европе, где большая доля топлива приходится на мазут. Как правило, для целей отопления и горячего водоснабжения применяют конденсационные котлы, в которых используют теплоту как явную, так и тепло конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах. Коэффициент полезного действия таких установок свыше 100 % (по низшей теплоте сгорания). Для утилизации теплоты используют теплообменники из специальных коррозионных сталей. Модульная система «Calcond», предназначенная для котельных установок промышленного и бытового назначения, имеет три ступени. В первой ступени продукты сгорания охлаждаются до температуры, близкой к температуре «точки росы», отдавая теплоту в систему отопления; во второй ступени температура продуктов сгорания понижается до 25 ºС, выделившаяся теплота используется для горячего водоснабжения или для подогрева воздуха; в третьей ступени осуществляется нейтрализация вредных веществ и удаление конденсата. Очистка продуктов сгорания по сернистым соединениям достигает 90 %, КПД установки достигает 108 % [16].
Фирмой «Bommer» [19] предложен конвективный теплообменник, изготавливаемый из медного литья со специальным легированием для применения в котлах, работающих на жидком топливе. Теплообменник снижает температуру до 150 °С, затем продукты сгорания поступают в конденсатор водяных паров, выполненный из керамических материалов, в котором температура уходящих газов снижается до 35-55 ºС. Образующийся кислый конденсат стекает в конденсаторную ванну нейтрализатора, снабженную абсорбционными кубиками для очистки его от мазутных образований, затем во второй сборник с мраморным гранулятором, в котором рН повышается до 6,3-7. Для связывания углеводородов в третьем сборнике находится активированный уголь. Такая технология позволяет повысить КПД котлов, работающих на жидком топливе, до 108 % (по низшей теплоте сгорания). При этом дымовая труба может изготавливаться из полимерного материала.
Для утилизации теплоты продуктов сгорания используют также встроены в котлоагрегат контактные экономайзеры «Recitern», изготовленные из высококачественной стали. Активная насадка изготавливается из хромоникельмолибденовой стали. Система автоматики и регулирования обеспечивает стабильный режим работы экономайзера. Для предотвращения разрушения дымовой трубы при конденсации водяных паров из продуктов сгорания выброс уходящих газов производится через дымовую трубу из легированной стали. Получаемый конденсат отводится в систему канализации. Подобные типы утилизаторов применяются в котельных установках теплопроизводительностью 0,1-10 МВт.
Потеря давления в утилизаторе «Recitern» зависит от конструкции поверхности нагрева (гладкотрубчатая и с оребрением трубами) и колеблется от 0,15 до 0,6 кПа. Эти потери следует учитывать при выборе дымососов. Экономия тепловой энергии при использовании явной теплоты 8-10 % и скрытой 7-10 %, т.е. практически на 15-20 % можно увеличить коэффициент использования топлива. Температура уходящих газов при использовании жидкого топлива и наличия регулирующей системы составляет 70-120 ºС без использования скрытой теплоты и 55-60 ºС при использовании скрытой теплоты.
Применение утилизаторов из коррозионно-стойких сталей в ФРГ оправдано высокой стоимостью топлива, в результате чего капитальные затраты окупаются за 1-4 года при эксплуатации установок 1500-2000 ч в год, при более длительной эксплуатации на промышленных предприятиях срок окупаемости снижается [12].
Реализация перечисленных зарубежных решений возможна при достаточно высокой стоимости топлива и жестких требованиях к охране окружающей среды. Эти два фактора позволили разработать наиболее эффективные и экологически чистые технологии использования теплоты продуктов сгорания отопительных котлов, работающих на жидком топливе.
Принципиальная схема утилизации теплоты дымовых газов в мазутных котельных представлена на рис. 12. В основе схемы - использование КТАНа. Для повышения долговечности утилизационного оборудования применяются коррозионно-стойкие материалы из алюминиевых сплавов, нержавеющей стали, антикоррозионные покрытия, а также методы нейтрализации серной кислоты, образующейся в процессе сгорания жидкого топлива. Последний вариант экспериментально проверен в промышленных условиях на паровом котле производительностью 50 т/ч [6]. Орошающая вода вместе с конденсатом из КТАНа поступает в резервуар 3, состоящий из трех камер, соединенных между собой переливами. В камеру I поступает 25 %-ный раствор NH4OH из бака 2 и добавляется в орошающую воду. Через перелив вода поступает в среднюю камеру II, куда может дополнительно добавляться вода при необходимости. Твердые частицы оседают на дно I и II. Осветленная вода поступает в камеру III, откуда подается снова на орошение. В зависимости от степени насыщения сульфатом остаток отводится в специальный объем. Дозирование аммиачной воды осуществляется с помощью насоса-дозатора по величине рН, которая поддерживается на уровне 7. Твердый остаток периодически подается в сепаратор 4, где отделяется твердая фаза, которая представляет интерес для дальнейшего использования.
Рис. 12. Схема использования теплоты дымовых газов котельных, работающих на жидком топливе:
1 - контактный теплообменник; 2 - бак с аммиачной водой; 3 - бак орошающей воды; 4 - сепаратор вредных отложений; 5 - насос-дозатор
Использование контактного теплообменника за котлами в такой схеме дает возможность утилизировать теплоту конденсации водяных паров, в то же время орошение поверхности КТАНа химическим раствором позволяет снизить коррозионные процессы, извлечь из дымовых газов ценный продукт для промышленности (сульфат аммония) и сократить выброс вредных веществ в окружающую среду.
В нашей стране имеется опыт применения утилизационных установок из стеклянных труб для подогрева воздуха за счет теплоты продуктов сгорания котлов, работающих на жидком топливе. Воздухоподогреватель выполнен из стеклянных труб в виде горизонтального пучка труб [7]. Воздух пропускается внутри трубок, дымовые газы - в межтрубном пространстве. Имеется опыт эксплуатации 70 воздухоподогревателей для котлов производительностью 10-950 т/ч. Расход труб при повышении КПД на 2 % составляет: для котла производительностью 10 т/ч - 750 м, 210 т/ч - 12 км, 950 т/ч - 70 км. Общая стоимость воздухоподогревателей из стеклянных труб составляет: для котла производительностью 10 т/ч - 4300 руб., 210 т/ч - 35000 руб. Экономия условного топлива около 70 кг у.т/год на 1 м2 стеклянной поверхности.
Как показали расчеты, для повышения КПД водогрейных котлов КВГМ производительностью 4,65-39 МВт, работающих на мазуте, достаточно установить пучок стеклянных труб диаметром 45×4 мм длиной 23 м на каждый 1 МВт производительности. Пучок выбирался с коридорным расположением труб с шагами S1 = 100 мм и S2 = 67 мм. Коэффициент использования поверхности при этом составлял 0,7.
Технико-экономические показатели воздухоподогревателей со стеклянными трубами за котлами КВГМ приведены ниже.
Теплопроизводительность котла, МВт
4,65 7,55 11,33 23,26 35
Температура дымовых газов, ºС:
перед воздухоподогревателем 245 245 230 242 250
после воздухоподогревателя 200 200 200 200 200
Температура воздуха, °С:
перед воздухоподогревателем 20 20 20 20 20
после воздухоподогревателя 68 68 54 65 76
Увеличение КПД 1,84 1,84 1,22 1,71 2,03
Экономия условного топлива, т у.т/год 54 86 88 243 434
Установка воздухоподогревателей со стеклянными трубами окупается за 1,5-2 года. Практика эксплуатации показала целесообразность применения воздухоподогревателей и надежность их работы.
