Результат интеллектуальной деятельности: Утилизатор теплоты и конденсата дымовых газов ТЭЦ

Изобретение относится к промышленной теплоэнергетике и может быть использовано в котельных ТЭЦ, работающих на твердом топливе повышенной влажности.

Известно устройство для усреднения температуры при смешивании газовых потоков со значительной разницей температур. Дымовая труба содержит газоотводящий ствол, газоходы горячих и холодных дымовых газов, камеру смешивания с насадками, расположенными на боковой поверхности, байпасную магистраль с заборником бокового сносящего потока и патрубки. При уменьшении расхода холодных газов через байпасную магистраль часть горячих дымовых газов поступает в дополнительный коллектор, откуда через патрубки - в камеру смешивания.

Недостатком данного устройства является то, что горячие дымовые газы, поступающие через байпасный газоход, содержат пары серной и сернистой кислот. Температура смеси дымовых газов ниже точки росы кислот, поэтому будет происходить конденсация паров серной и сернистых кислот, что отрицательно повлияет на коррозийную стойкость дымоходов и дымовой трубы (SU №1799103, Кл. F23J 11/00, 1995 г.).

Известна конденсационная котельная установка, включающая паровой котел с основным газоходом и врезанным в него байпасным газоходом, установленные на основном газоходе котла, экономайзер водяной, конденсационный теплообменник-утилизатор теплоты продуктов сгорания топлива, дымосос и дымовую трубу, а также теплообменник поверхностный, термический деаэратор питательной воды с патрубком отвода выпара в основной газоход. Установка также включает контактный теплообменник-увлажнитель дутьевого воздуха, установленный на линии подачи дутьевого воздуха в котел и соединенный с термическим деаэратором питательной воды посредством трубопровода подачи деаэрированной питательной воды. Поверхностный теплообменник-утилизатор продуктов сгорания топлива установлен на основном газоходе перед конденсационным теплообменником-утилизатором теплоты продуктов сгорания топлива. Испаритель трубопроводами соединен с конденсационным теплообменником-утилизатором теплоты продуктов сгорания топлива и установлен на основном газоходе перед ним поверхностным теплообменником-утилизатором продуктов сгорания топлива, образуя циркуляционный контур охлаждающей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом охлаждающей среды. Генератор трубопроводами соединен с экономайзером водяным, образуя циркуляционный контур греющей среды, приводимой в движение циркуляционным насосом греющей среды. Абсорбер и конденсатор последовательно соединены трубопроводом нагреваемой обратной воды теплосети с теплообменником поверхностным. (RU №2489643, МПК F22B 33/1, 2013).

Недостатком данной установки является то, что дымовые газы, проходящие через байпасный газоход, уносят часть теплоты парообразования влаги топлива, снижая кпд утилизатора. Кроме того, в дымовых газах содержатся вредные примеси, например оксиды азота. При смешивании охлажденных дымовых газов с газами, проходящими через байпасный газоход, температура смеси повышается исключая возможность конденсации остатков паров влаги топлива в дымовой трубе, но она ниже точки росы кислот, при конденсации которых газы приобретают коррозийно агрессивные свойства.

Прототипом заявленного является теплоутилизатор для глубокой утилизации теплоты дымовых газов поверхностного типа (RU 2555919, МПК F22B 1/18, 2015), содержащий газоходы, дымосос, утилизационный поверхностный теплообменник, конденсатосборник, трубопроводы и байпасный газоход для регулирования температуры хвостовых дымовых газов. Перед дымовой трубой расположен изолированный резервуар с проточной водой, имеющий с двух его торцевых сторон рубашки, разделенными на секции горизонтальными полками. Внутри резервуара расположены горизонтальные параллельные ряды труб, изолированные от резервуара и объединяющие объемы рубашек, состоящие из отдельных пучков труб, в которых дымовые газы перемещаются в одном направлении. Пучки труб чередуются между собой большими объемами секций рубашек, изменяющих направление движения дымовых газов в соседних пучках. Последовательно верхняя часть секции одной рубашки соединена пучком труб с нижней частью секции второй рубашки, а верхняя часть этой секции соединена пучком труб с нижней частью следующей секции первой рубашки, образуя таким образом змеевик, в котором пучки труб, находящиеся в объеме резервуара, периодически чередуются с большими объемами секций рубашек. Пучки труб и секций рубашек между ними образуют непрерывный змеевик переменного сечения для перемещения потока дымовых газов навстречу проточной воде, заполняющей резервуар в верхней части и удаляемой из него снизу.

Горячие дымовые газы с температурой 150-160°C подаются в теплоутилизатор в нижнюю часть, перемещаются по трубам змеевика, погруженного в резервуар с проточной охлаждающей водой, и передают всю утилизированную тепловую энергию парообразования влаги топлива, содержащуюся в них, через металлическую стенку труб змеевика охлаждающей воде, омывающей трубы. Охлаждающая вода не контактирует с дымовыми газами, поэтому может без дополнительной обработки использоваться в дальнейшем в паротурбинном цикле. Трубы змеевика находятся непосредственно в объеме охлаждающей жидкости, поэтому происходит глубокое охлаждение топочных газов до температуры 40-45°C. При охлаждении дымовых газов до температуры 130-140°C происходит конденсация паров серной и сернистой кислот. Конструкция теплоутилизатора обеспечивает конденсацию кислот и удаление конденсата через конденсатосборник кислот в промышленную канализацию. Основная масса конденсата - конденсат водяных паров выделяется при дальнейшем охлаждении дымовых газов до температуры 60-70°C и через конденсатосборник водяного пара без дополнительной обработки направляется потребителям горячей воды. Для повышения температуры остывших дымовых газов и исключения возможности конденсации остатков водяных паров в хвостовых участках системы к газам добавляют горячие дымовые газы через байпасный газоход,

Такая конструкция имеет очевидные недостатки. Добавляемые дымовые газы через байпасный газоход проходят минуя теплоутилизатор, а следовательно, уносят часть энергии парообразования влаги топлива, что снижает эффект утилизации теплоты. Кроме того, в добавляемых горячих дымовых газах содержатся остатки паров серной и сернистых кислот. Средняя температура смеси газов выше точки росы водяных паров, но ниже точки росы кислот, что неизбежно вызовет конденсацию их остатков.

Задачей изобретения является очистка от серной и сернистой кислот всего объема дымовых газов, исключение возможности конденсации серной и сернистой кислот в хвостовых элементах системы удаления дымовых газов.

Техническим результатом изобретения является повышение экономических показателей работы ТЭЦ и увеличение кпд работы за счет повышения эффективности использования утилизированной «скрытой» теплоты парообразования влаги топлива.

Поставленная задача и, как следствие, указанный технический результат достигаются тем, что утилизатор теплоты и конденсата дымовых газов ТЭЦ содержит теплообменник в виде резервуара, заполненного проточной водой, внутри которого расположены параллельные ряды горизонтально расположенных труб для перемещения по ним дымовых газов в одном направлении, соединенных с рубашками, расположенными с торцевых сторон резервуара, каждая из которых разделена на секции горизонтальными полками, при этом верхняя часть секции одной рубашки соединена трубами с нижней частью секции рубашки, расположенной с противоположной стороны резервуара. Утилизатор также имеет газоходы, дымосос, конденсатосборник и трубопроводы. Согласно изобретению, для регулирования температуры хвостовых дымовых газов утилизатор снабжен дополнительным вторым теплообменником, идентичным первому, резервуары которых связаны между собой через питатель, при этом выход остывших, осушенных дымовых газов первого теплообменника из верхней секции рубашки через выходной патрубок газоходом связан с нижней секцией рубашки второго теплообменника, а верхняя секция рубашки второго теплообменника газоходом связана с дымовой трубой.

В предлагаемом утилизаторе теплоты и конденсата дымовых газов все дымовые газы поступают через входной патрубок в первый теплоутилизатор, где перемещаются по трубам змеевика, находящегося в объеме охлаждающей жидкости. Температура газов понижается, происходит конденсация паров влаги топлива. За счет энергии конденсации температура охлаждающей воды повышается. Охлаждение дымовых газов осуществляется до температуры, обеспечивающей эффективность теплообмена между дымовыми газами и охлаждающей водой и достаточную утилизацию теплоты парообразования влаги топлива.

Второй дополнительный теплообменник устанавливают за первым для подогрева и соответственно исключения возможности конденсации серной и сернистой кислот в хвостовых участка системы удаления дымовых газов и повышения степени утилизации теплоты парообразования влаги топлива. Во втором теплообменнике используется часть утилизированной теплоты парообразования влаги топлива.

Второй теплообменник располагается в непосредственной близости от первого. Остывшие осушенные дымовые газы, поступающие из первого теплообменника в нижнюю одинарную секцию второго теплообменника, перемещаясь по змеевику, нагреваются до температуры, исключающей возможность конденсации остатков паров влаги в дымовой трубе, и через верхнюю одинарную секцию теплообменника направляются в дымовую трубу. На выходе из теплообменника регистрируется температура дымовых газов. Регулировка температуры осуществляется расходом охлаждающей жидкости с помощью питателя первого теплообменника.

Для подогрева дымовых газов во втором теплообменнике в его верхнюю часть резервуара поступает нагретая в первом теплообменнике вода. Нагрев дымовых газов производится до температуры, исключающей конденсацию остатков паров влаги топлива в хвостовых участках системы. Подогрев хвостовых газов осуществляется за счет части утилизированной теплоты в первом теплообменнике, кпд при этом увеличивается.

Утилизатор теплоты и конденсата дымовых газов ТЭЦ поясняется чертежом.

Утилизатор содержит первый теплообменник 1, включающий резервуар 2, заполненный проточной водой. Внутри резервуара 2 расположены параллельные ряды горизонтальных труб 3 для перемещения по ним дымовых газов в одном направлении. Горизонтальные трубы 3 соединены с рубашками 4 и 5, расположенными с торцевых сторон резервуара 2. Каждая рубашка 4 и 5 разделена на секции 6 горизонтальными полками 7. Верхняя часть секции 6 рубашки 4 соединена трубами 3 с нижней частью секции 6 рубашки 5, расположенной с противоположной стороны резервуара 2. Второй теплообменник 8 идентичен первому теплообменнику 1. Резервуар 2 первого теплообменника связан через питатель 9 с резервуаром 10 второго теплообменника 8. Выход остывших дымовых газов первого теплообменника 1 через выходной патрубок 11 из верхней секции 6 рубашки 4 газоходом 12 связан с нижней секцией 13 рубашки 14 второго теплообменника 8. Верхняя секция 15 рубашки 14 второго теплообменника 8 газоходом 16 связана с дымовой трубой (не показано). Сконденсированная влага сливается из теплообменника 1 в конденсатосборник (не показано). Регулировка температуры осуществляется в первом теплообменнике 1 с помощью питателя 9. Из второго теплообменника 8 вода удаляется насосом 17.

Утилизатор теплоты и конденсата дымовых газов работает следующим образом.

Дымовые газы поступают в теплообменник 1 с температурой 150-160°С. Конденсация серной и сернистой кислот происходит при температуре 130-140°C. При перемещении по трубам 3 теплообменника температура дымовых газов понижается и происходит конденсация кислот. Удаление конденсата из потока дымовых газов обусловлено снижением скорости газов в больших объемах секций рубашек 4 и 5 по сравнению с объемами труб 3, увеличением плотности конденсата по сравнению с плотностью в газообразном состоянии и многократным изменением направления движения газа.

В теплообменник 1 поступает весь объем дымовых газов и, следовательно, происходит очистка от серной и сернистой кислот всех дымовых газов. А также происходит утилизация теплоты парообразования влаги топлива до температуры, обеспечивающей целесообразность использования теплообменника 8. Часть утилизированной теплоты расходуется на повышение температуры дымовых газов, исключающей конденсацию остатков паров влаги в хвостовых участках системы удаления газов.

Вся утилизированная теплота парообразования влаги топлива используется на нагрев охлаждающей воды в теплообменнике 1, которая в связи с отсутствием контакта с дымовыми газами может использоваться в паротурбинном цикле, конденсат, очищенный от серной и сернистой кислот - в качестве горячей воды.

Остывшие осушенные дымовые газы из теплообменника 1 поступают в нижнюю одинарную секцию 13 теплообменника 8. Перемещаясь по змеевику теплообменника 8, дымовые газы нагреваются до температуры, исключающей возможность конденсации остатков паров влаги в дымовой трубе, и через верхнюю одинарную секцию 15 теплообменника 8 направляются в дымовую трубу. На выходе из теплообменника 8 регистрируется температура дымовых газов. Регулировка температуры осуществляется расходом охлаждающей жидкости с помощью питателя 9.

Для подогрева дымовых газов в теплообменник 8 в верхнюю часть резервуара 10 поступает нагретая в теплообменнике 1 охлаждающая вода. Нагрев дымовых газов производится до температуры, исключающей конденсацию остатков пара влаги топлива на выходе из системы удаления дымовых газов. Подогрев осуществляется за счет части теплоты, утилизированной в теплообменнике 1.

Из теплообменника 8 вода удаляется насосом 17. Охлаждающая вода в процессе охлаждения дымовых газов нигде не контактирует с ними, поэтому может использоваться без дополнительной обработки в паротурбинном цикле.

На основании теплотехнических расчетов получено

В настоящее время утилизатор теплоты и конденсата дымовых газов ТЭЦ находится на стадии технического предложения.