Достаточно большой интерес вызывает использование теплообменников на тепловых трубах для утилизации теплоты продуктов сгорания жидкого топлива, особенно за котлами малой мощности, за которыми температура уходящих газов составляет 300-320 ºС. Традиционные решения для нагрева воды с помощью теплоты дымовых газов требуют значительных капитальных вложений для защиты от сернистой коррозии. Теплообменники на тепловых трубах помогают поддерживать температуру стенки труб 140 °С, что позволяет избежать точки росы, а следовательно, конденсации водяных паров и растворения в них окислов серы. Подобный опыт использования теплообменника на тепловых трубах приведен в работе [9].
Рис. 13. Схема утилизационной установки на тепловых трубах:
1 - дымоход; 2 - теплообменник; 3 - тепловые трубы; 4 - камеры с холодной водой; 5 - заслонка
В установке (рис. 13) температура дымовых газов на входе в теплообменник 280, на выходе 246 °С. Подогрев воды производится при этом от 30 до 50 ºС при расходе ее от 346 до 21713 кг/ч. Мощность установки 20 кВт. Теплообменники компактны, имеют объем 0,3 м3 на 10 т/ч газа. Удельная экономия теплоты около 17 ГДж/кВт (~4 Гкал/кВт). Срок окупаемости установки 11 мес.
В процессе работы установки температура стенки трубы поддерживается около 170 ºС. Малое аэродинамическое сопротивление не требует дополнительной установки тягодутьевых устройств.
Возможную схему использования теплоты дымовых газов для котла, работающего на природном газе с резервным жидким топливом, представляет рис. 14. В схеме предусмотрена промывка дымовых газов и нейтрализация промывочной воды с целью снижения содержания вредных веществ в воде и уходящих газах [1].
Из котла 1 дымовые газы проходят по газоходу, в котором установлено впрыскивающее устройство, в которое подается вода из сепаратора пара 2, или конденсат. После экономайзера 4 установлены разбрызгивающие сопла 5. Промывочная вода собирается в поддоны газохода, откуда через теплообменник 6 подается в бак-накопитель 7, из которого выделившийся SO2 подается к сборнику SO2, а промывочная вода далее поступает в нейтрализатор 8 и шламоотделитель 9. После нейтрализатора вода может быть включена в контур котельной для приготовления подпиточной воды.
Эта схема требует практической проработки для определения экономической и технологической целесообразности как для периодического, так и постоянного использования ее при работе котла на жидком топливе.
Рис. 14. Схема утилизации теплоты дымовых газов с промывкой газов:
1 - котел; 2 - сепаратор газа; 3 - впрыскивающее устройство; 4 - экономайзер; 5 - разбрызгивающие сопла; 6 - теплообменник; 7 - бак-накопитель; 8 - нейтрализатор; 9 - шламоотделитель
Утилизация теплоты продуктов сгорания жидкого топлива требует применения коррозионно-стойких материалов для конструкций утилизаторов, но это недостаточно для нормальной эксплуатации, поскольку происходит занос поверхностей продуктами сгорания, что требует специальных мероприятий для очистки поверхностей. Поэтому наиболее рационально применение очистных сооружений в котельных установках на жидком топливе, с помощью которых можно комплексно решить вопросы долговечности оборудования, высокого уровня эксплуатации и охраны окружающей среды.
ОСОБЕННОСТИ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ В КОТЕЛЬНЫХ, РАБОТАЮЩИХ НА ТВЕРДОМ ТОПЛИВЕ
Для утилизации теплоты уходящих газов котлов, работающих на твердом топливе, в принципе также могут быть использованы те же утилизационные установки для подогрева воздуха и воды, что в котельных, работающих на газе, но при этом должны быть предусмотрены мероприятия по удалению твердых частиц, а при высокой сернистости топлива - по защите оборудования от коррозии.
Принципиальная схема утилизации теплоты дымовых газов для котла КВТК-100-150, работающего для закрытой системы теплоснабжения, приведена на рис. 15, а. В качестве топлива принят уголь Ирша-Бородинского месторождения, содержание в котором серы 0,2 %, окислов кальция до 26 %. Предусматривается золоулавливание в типовых электрофильтрах до степени очистки 0,97-0,98 с последующим улавливанием остатка золы в скрубберном охладителе газов при форсуночном разбрызгивании орошающей воды охладительного контура в поток газов.
Продукты сгорания из котла поступают в электрофильтры, затем в охладитель газов 3, в котором орошающая вода подогревается до температуры 35-55 °С в зависимости от режима работы установки и схемы ее работы, при этом продукты сгорания охлаждаются до 25-50 °С. С целью предотвращения конденсации в дымовой трубе часть газов через байпасную линию перепускается мимо скрубберного охладителя. Из охладителя 3 вода циркуляционного контура с температурой 64-67 °С насосом прокачивается через гравийные фильтры 4 конструкции ОКБ ВТИ им. Ф. Э. Дзержинского, в которых она очищается от золы и шлама, выносимых из охладителя. Для более полной очистки воды добавляется сернокислый аммоний в размере 5 мг/л. После фильтров вода подается в форсунки скруббера - подогревателя воздуха, а часть - в параллельно включенный водоводяной теплообменник 5, в котором подпиточная вода подогревается до 50 °С и подается далее в химводоочистку.
Рис. 15. Схема утилизации теплоты дымовых газов котла КВТК-100-150:
а - в закрытой тепловой сети; б - в открытой тепловой сети; 1 - котел; 2 - электрофильтр; 3 - контактный охладитель газов; 4 - фильтр; 5 - теплообменник; 6 - оборудование химводоочистки; 7 - деаэратор; 8 - ввод коагулянта; 9 - воздухоподогреватель
В целях защиты от загрязнений форсунок скрубберов из нижних точек аппаратов осуществляется дренаж пульпы в количестве около 0,03 м3/ч, что компенсируется конденсируемой из газов водой. Кроме того, перед охладителем газов орошающая вода прокачивается снова через напорные фильтры 4.
Для нормальной работы системы утилизации необходимо обеспечить водно-химический режим работы циркуляционного контура, исключающий коррозию оборудования, отложение шлама и карбонатов на форсунках и поверхностях теплообменника. Отсутствие такого опыта в практике эксплуатации требует проведения специальных исследований.
В данной схеме не предусматривается специальной сероочистки в связи с низким содержанием серы в принятом виде топлива. Нейтрализация этих соединений обеспечивается щелочными элементами улавливаемой в охладителе газов золы.
Для защиты от коррозии теплоутилизационного оборудования рекомендуется применение силиката натрия, периодически дозируемого в воду циркуляционного контура, в количестве 3-5 мг/л.
Для открытой тепловой сети предлагается принципиальная схема утилизации, представленная на рис. 15, б.
Охлаждение газов производится в охладителе газов 3 до температур 23-40 ºС в зависимости от режима работы установки. Нагретая в скруббере 3 вода до 57-61 ºС поступает в напорные фильтры 4, где очищается от твердых частиц и шлама, а затем направляется в водоводяной теплообменник 5, в котором подогревается подпиточная вода. Охлажденная вода возвращается в охладитель газов при температурах около 12 ºС. Для открытой тепловой сети расход подпиточной воды значителен, поэтому подогрева воздуха не производится. Конструкция основного оборудования утилизации теплоты дымовых газов должна быть разработана применительно к конкретным условиям.
Охладитель газов скрубберного типа имеет форсуночный разбрызгиватель сверху, а внизу - двойной отстойник шлама совмещенный с декарбонизатором. Воздухоподогреватель скрубберного типа также с форсуночным распыливанием воды. Выходное сечение перекрыто каплеуловителем из колец Рашига, в нижней части имеется отстойник шлама.
При оборудовании котлоагрегатов КВТК-100-150 системой утилизации теплоты уходящих газов экономия топлива за год составляет в среднем 3,9 % для закрытой и 11,7 % для открытой тепловой сети. Годовой экономический эффект при стоимости топлива 22 руб/т у.т. составил по расчетам 5,44 тыс. руб. для закрытой и 104,6 тыс. руб. для открытой тепловой сети.
При температуре уходящих газов свыше 150 °С может быть предложена схема, представленная на рис. 16. За котлом устанавливают два скруббера, один из которых 2 служит для очистки газов от механических примесей. Примеси выпадают в нижнюю часть и далее поступают в отстойник 5, из которого осветленная вода вновь подается на орошение в скруббер 2. Корпус скруббера покрыт слоем тепловой изоляции, поэтому дымовые газы в нем почти не охлаждаются. Затем дымовые газы поступают в скруббер 3, где отдают свою теплоту орошающей воде. Нагретая вода насосом подается в промежуточный теплообменник 4, в котором подогревается вода для потребителя (на горячее водоснабжение, подпиточная и др.) [5].
Рис. 16. Схема автоматизации теплоты дымовых газов с механическими примесями:
1 – котел; 2 - скруббер очистки газов; 3 - скруббер-утилизатор; 4 - теплообменник; 5 - отстойник
Эта схема может использоваться при технико-экономическом обосновании для предметов сгорания с температурой 150-200 °С в связи с большой металлоемкостью и повышенными капитальными затратами.
Вследствие отсутствия утилизационного оборудования конкретно для котлов малой мощности делаются попытки приспособить выпускаемые нашей промышленностью теплообменные аппараты для нужд утилизации теплоты дымовых газов в котельных. Горьковским ГПИ Сантехпроект запроектированы котельные с котлоагрегатами «Братск-М», работающие на твердом топливе (типовые проекты №№ 903-1-89, 903-1-273-89, 903-1-274-89) для закрытой системы теплоснабжения. В качестве утилизатора на дымовых газах устанавливается рекуперативный компактный теплоутилизатор малой металлоемкости из нагревательных элементов конвекторов «Комфорт-20» КН 20-3,5П с кожухом.
Теплоутилизаторы устанавливаются за каждым блоком котлоагрегатов «Братск-М». Дымовые газы по металлическому газоходу направляются в золоулавливающую установку, затем в теплоутилизатор, после которого дымовые газы дымососом подаются в дымовую трубу (рис. 17, а).
Вся масса дымовых газов с температурой 180 ºС при работе на каменном угле и 133 ºС на буром охлаждаются в теплоутилизаторе соответственно до 130 и 90 °С. Теплоутилизаторы имеют замкнутый контур циркуляционной воды: теплоутилизатор - теплообменник - насос - теплоутилизатор. Циркуляционная вода нагревается с 55 до 64 °С, затем охлаждается в промежуточном теплообменнике, нагревая исходную воду с 10 до 16 °С.
Теплопроизводительность каждой теплоутилизационной установки составляет 0,08 МВт (0,07 Гкал/ч). Применение ее позволяет дополнительно получить около 3 % тепловой энергии и соответственно сэкономить около 50 т у.т. в год.
Очистка поверхности нагрева теплоутилизатора как и для котла предусматривается методом обдувки сжатым воздухом, установка обдувки включает в себя компрессор, ресивер и систему трубопроводов.
Рис. 17. Схема утилизации теплоты дымовых газов:
а - котлов «Братск-М»; б - котла, работающего на буром угле; 1 - блок из двух котлов; 2 - золоуловитель; 3 - бункер для сбора воды; 4 - утилизатор; 5 - теплообменник; 6 - котел; 7 - вихревой циклон; 8 - отстойник; 9 - смесительный резервуар; 10 - бак; 11 - тепловой насос; 12 - заслонка
Для котла, работающего в режиме 90/70 °С на буром угле, предложена установка с утилизацией тепла дымовых газов и очисткой уходящих газов от пыли и окислов серы (рис. 17, б) [18].
После котла установлен вихревой пылеуловитель 7. Продукты сгорания до поступления в пылеуловитель предварительно охлаждаются за счет впрыскивания воды, которая при контакте с дымовыми газами нагревается до 70-90 °С. Затем дымовые газы в корпусе вихревого пылеуловителя смешиваются в турбулентном потоке с водой, содержащей нейтрализующие агенты (CaCO3, NaОH, NH3). На выходе из лопаточных завихрителей в результате резкого изменения давления происходит фазовое разделение смеси. Образующаяся суспензия направляется в отстойник 8, из которого вода после охлаждения до 15-20 °С снова поступает в пылеуловитель. Охлаждение производится в теплообменниках с холодной водой, затем с помощью теплового насоса 11.
Тепловая мощность котла, работающего по такой схеме, может быть увеличена на 10-60 %, степень пылеулавливания достигает 96-98 %, удаление окислов серы 73-97 %. С помощью такой установки возможно утилизировать до 50 % сбросной теплоты.
Для подогрева дутьевого воздуха в работе [20] использована система из двух теплообменников, установленных в трактах уходящих газов, и подачи воздуха. Теплообменники связаны трубопроводами, по которым с помощью насоса циркулирует масло. Такая система позволяет на отопительном котле мощностью 5 МВт снизить температуру уходящих газов с 200-250 до 110-140 ºС в зависимости от нагрузки.
Рис. 18. Схема утилизации теплоты и очистки дымовых газов парового котла:
1 - котел; 2 - теплообменник - охладитель газов; 3 - воздухоподогреватель; 4 - теплообменник - подогреватель газов; 5 - контактный теплообменник; 6 - емкость для промывочной воды; 7 - компрессор; 8 - насос; 9 - нейтрализатор
Схема установки утилизации теплоты дымовых газов и очистка их для парового котла мощностью 3,2 т/ч [17] представлена на рис. 18. Котел работает на рядовом буром угле, поэтому на установке наряду с утилизацией производится десульфуризация (90 %) и обеспыливание (~95°). Расход дымовых газов через установку 7500 м3/ч. Температура газов на входе в установку 200 °С. В теплообменнике 2 со стеклянными трубами происходит охлаждение газов на 30-60 ºС и нагрев воды для горячего водоснабжения на 10-60 ºС при расходе воды 1,2-2,6 м3/ч. Далее газы поступают в скруббер, где производится их промывка золоизвестковой водой через сопла. Через эти же сопла для окисления сульфита кальция в сульфат компрессором подается воздух. Промывочная жидкость нейтрализуется для повышения рН. Шлам вместе с промывочной водой поступает в отстойник системы золоудаления, в который добавляется Ca(OH)2. Очищенные дымовые газы проходят через воздухоподогреватель 3, затем поступают в теплообменник из стеклянных труб 4, где подогреваются до 75-95 °С и направляются дымососом в дымовую трубу. Мощность утилизационной установки 160 кВт.
ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОТЫ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ
С точки зрения защиты окружающей среды для производства тепловой энергии предпочтительно использование газа. Это позволяет избежать выбросов твердых частиц и серы, в 3-4 раза уменьшить окислы азота и вдвое окиси углерода по сравнению с сжиганием твердого и жидкого топлива. На добычу и транспортирование газа затраты на 20-30 % ниже, чем на добычу и транспортирование угля, что имеет большое экономическое значение.
