СПОСОБ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА И ОСУШЕНИЯ ДЫМОВЫХ ГАЗОВ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ

Область техники

Изобретение относится к теплотехнике, в частности к устройствам для использования тепла уходящих газов газифицированных котлов, печей, энергогенераторов и других устройств, использующих в качестве топлива природный или сжиженный газ.

Уровень техники

Ценная особенность природного газа - наличие в нем большого количества водорода, при сжигании которого образуются пары воды. При сжигании 1 м³ природного газа образуется до 1,6 кг воды в виде пара, за счет этого высшая теплота сгорания природного газа (с учетом скрытой теплоты парообразования) на 11% выше низшей теплоты сгорания, а это около 3320 килоджоулей на кубометр сожженного газа. Использование скрытой теплоты парообразования уходящих дымовых газов возможно только при конденсации водяного пара на поверхностях теплоутилизаторов, имеющих температуру ниже «точки росы», которая зависит от температуры уходящих дымовых газов и их влагосодержания. Процесс конденсации водяных паров из продуктов сгорания при сжигании природного газа и жидкого топлива наступает по достижении температуры 50-60°C, и чем ниже температура нагреваемого теплоносителя, тем выше его эффективность, при этом оптимальная температура на поверхности теплообменника составляет 0°C, такую температуру можно достичь только при температуре нагреваемого теплоносителя ниже 0°C.

В настоящее время это тепло практически все действующие традиционные газосжигающие установки недополучают по следующим причинам:

- для эффективной работы необходимо не только дополнительно поставить теплоутилизатор с развитой поверхностью контактного или поверхностного типа, но и установить теплообменники в теплоутилизаторе по многоходовой противоточной схеме движения нагреваемого теплоносителя по отношению к уходящим дымовым газам, а это приводит к значительному увеличению аэродинамического сопротивления теплоутилизатора и требует, во многих случаях, замену дорогостоящего тягодутьевого оборудования. Особенно это проблематично на теплогенераторах, работающих под наддувом, без дымососа;

- необходимо провести комплекс работ по недопущению образования значительного количества конденсата в дымовой трубе и газоходе, а именно выполнить дополнительную теплоизоляцию, провести гидроизоляционные и противокоррозионные работы;

- современные конструкции теплоутилизаторов доводят температуру уходящих газов до 35-40°C, при этом водяные пары в уходящих газах находятся на линии насыщения и имеют еще значительное паросодержание (порядка 40-50 г/м³), поэтому в целях предотвращения образования конденсата в дымовой трубе, уже при наружных температурах воздуха ниже +10°C, приходится значительно повышать температуру уходящих газов за счет байпасирования части уходящих газов мимо теплоутилизатора, в некоторых случаях до 50%. В связи с чем в наиболее востребованный период работы резко снижаются теплопроизводительность утилизатора и его технико-экономические показатели, при этом не дается полной гарантии защиты газоходов и дымовых труб от конденсата в холодное время года;

- низкая степень заводской готовности теплоутилизаторов и значительная их материалоемкость ведет к значительным затратам на монтаже и наладке.

В ряде отраслей промышленности применяют теплообменники, выполненные из труб со спирально-кольцевыми накатными или навитыми и приваренными ребрами [Кунтыш В.Б., Кузнецов Н.М. Тепловой и аэродинамический расчет оребренных теплообменников воздушного охлаждения. Энергоатомиздат, С.-Петербург, 1988, 278 с].

В последнее время такие теплообменники используют и для более глубокого охлаждения уходящих газов за паровыми и водогрейными котлами, сжигающими природный газ [Кудинов А.А., Антонов В.А., Алексеев Ю.А. Анализ эффективности применения конденсационного теплоутилизатора за паровым котлом ДЕ-10-14ГМ//Промышленная энергетика. - 1997, №8; Гомон В.И., Пресич Г.А., Навродская Р.А. «Утилизация теплоты уходящих газов с использованием поверхностных (в том числе конденсационных) и контактных теплоутилизаторов». В сб. «Материалы семинара «Современное котельное оборудование - экономичность, безопасность и экологичность»» - Киев, 1996, с.31-37].

Наиболее близким к заявляемому изобретению является теплоутилизатор (патент РФ №2323384, F22B 1/18 от 30.08.2006), содержащий систему теплообменников (поверхностного, контактного типа, водовоздушный, водо-водяной, газо-газовый), каплеуловитель, газо-газовый теплообменник, включенный по схеме прямотока, газоходы, трубопроводы, насос, датчики температуры, клапаны-регуляторы. По ходу движения оборотной воды контактного теплообменника последовательно расположены водо-водяной теплообменник и водовоздушный теплообменник с обводным каналом по ходу движения воздуха.

Способ работы теплоутилизатора (патент РФ №2323384, F22B 1/18 от 30.08.2006) заключается в том, что уходящие газы по газоходу поступают на вход газо-газового теплообменника, последовательно проходя три его секции, затем на вход контактного теплообменника, где, проходя через насадку, омываемую оборотной водой, охлаждаются ниже точки росы, отдавая явное и скрытое тепло оборотной воде. Далее охлажденные и влажные газы освобождаются от большей части унесенной потоком жидкой воды в каплеуловителе, нагреваются и подсушиваются, по меньшей мере, в одной секции газогазового теплообменника, дымососом направляются в трубу и выбрасываются в атмосферу. Одновременно нагретая оборотная вода из поддона контактного теплообменника насосом подается в водо-водяной теплообменник, где нагревает холодную воду из трубопровода. Нагретая в теплообменнике вода поступает на нужды технологического и бытового горячего водоснабжения или в низкотемпературный отопительный контур. Далее оборотная вода поступает в водовоздушный теплообменник, нагревает, по меньшей мере, часть дутьевого воздуха, поступающего из-за пределов помещения по воздуховоду, охлаждаясь до минимально возможной температуры, и поступает в контактный теплообменник через водораспределитель, где отбирает тепло от газов, попутно промывая их от взвешенных частиц, и поглощает часть оксидов азота и серы. Нагретый воздух из теплообменника дутьевым вентилятором подается в штатный воздухоподогреватель или непосредственно в топку. Оборотная вода по необходимости фильтруется и обрабатывается известными способами.

Недостатками данного прототипа являются: сложность системы регулирования, применение большого количества дополнительного оборудования, трубопроводов, газовоздухопроводов, низкая степень осушения уходящих дымовых газов в осенне-весенний и зимний периоды, требующая значительного последующего их нагрева, что снижает эффективность работы установки в осенне-весенний и зимний периоды.

Технический результат

Техническим результатом заявляемого изобретения является:

- повышение эффективности использования низкопотенциального тепла конденсации водяных паров, содержащихся в дымовых газах, для нагрева всех теплоносителей, участвующих в тепловом балансе котельной установки;

- увеличение степени осушения уходящих дымовых газов в осенне-весенний и зимний периоды;

- повышение коэффициента теплопередачи в теплоутилизаторе и компенсация аэродинамических потерь, связанных с установкой теплоутилизатора с высокоразвитой поверхность нагрева и многоходовой противоточной схеме движения нагреваемого теплоносителя, по отношению к уходящим дымовым газам;

- повышение степени заводской готовности теплоутилизатора, что приводит к упрощению технологии утилизации тепла и снижению затрат на монтажные и пусконаладочные работы.

Сущность изобретения

Названный выше технический результат достигается при осуществлении заявленного способа утилизации тепла и осушения дымовых газов, согласно которому уходящие дымовые газы за счет охлаждения исходных дымовых газов и конденсации водяных паров по схеме противотока без регулирования расхода газов нагревают воздух и воду, которые используются для отопления и покрытия потребности процесса горения. Причем осушение дымовых газов производится в системе газоводяных теплообменников теплоутилизатора, где один теплообменник теплоутилизатора выполнен выносным и установлен на входе, по ходу движения воздуха, калорифера приточной вентиляции котельной и работает как его первая ступень. Теплоносителем по этому контуру является незамерзающая водосодержащая жидкость. При этом, последний по ходу дымовых газов теплообменник работает в паре с выносным так, что в зависимости от температуры наружного воздуха меняется температура наружной поверхности последнего по ходу дымовых газов теплообменника теплоутилизатора и степень осушения уходящих дымовых газов (предпочтительно в осенне-весенний и зимний периоды), что приводит к саморегулируемости процесса.

Также заявлена установка для осуществления указанного выше способа утилизации тепла и осушения дымовых газов, которая содержит, систему газоводяных теплообменников, напорный вентилятор, газоходы, щелевой эжектор, трубопроводы и насос. В целях увеличения скорости омывания дымовыми газами поверхностей нагрева газоводяных теплообменников теплоутилизатора и увеличения коэффициента теплопередачи предлагается выполнять установку таким образом, что уходящие дымовые газы в установке теплоутилизатора после прохождения их через систему теплообменников будут разделяться на два потока, большой и малый. Причем в целях увеличения динамического напора малого потока установка содержит напорный вентилятор, после прохождения которого малый поток увеличивает свой динамический напор и поступает в сопло щелевого эжектора, где в щелевом эжекторе большой и малый потоки смешиваются, что приводит к увеличению динамического напора общего потока, одновременно решается техническая задача компенсации аэродинамических потерь на сопротивление уходящих дымовых газов в теплоутилизаторе и потери самотяги в дымовой трубе в результате снижения температуры уходящих газов.

При этом конструктивная компоновка установки теплоутилизатора выполнена одним изделием, позволяющим устанавливать его над или под газоходом путем врезки в существующий газоход, а байпас уходящих дымовых газов и его регулирование производится непосредственно в установке теплоутилизатора.

В целях регулирования соотношения большого/малого потока дымовых газов в установке теплоутилизатора может быть установлена регулировочная направляющая пластина.

В целях предотвращения ледообразования на наружных поверхностях последнего по ходу движения газов теплообменника теплоутилизатора на контуре теплоносителя предпочтительна установка линии рециркуляции, которая включается после достижения теплоносителем (незамерзающей водосодержащей жидкостью) критической температуры.

Последний по ходу движения газов теплообменник теплоутилизатора рекомендуется выполнять с возможностью временного отключения от выносной секции, слива из нее водосодержащей незамерзающей жидкости и переключения ее на параллельный подогрев воды совместно со вторым или первым теплообменником, которые могут работать как в параллельном, так и в последовательном режиме, а также и самостоятельно каждый по отдельному контуру.

Шибер на линии байпаса дымовых газов может быть выполнен из двух частей разной площади живого сечения, где при его открытии сначала открывается меньшая часть, а потом большая.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется далее более подробно на конкретных примерах его осуществления со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых изображено:

- на фиг.1 - устройство, схема работы теплоутилизатора и осушителя дымовых газов,

- на фиг.2 - сечение А-А устройства теплоутилизатора и осушителя дымовых газов.

Осуществление изобретения

Предлагаемое устройство теплоутилизатора уходящих дымовых газов схематично изображено на фиг.1 и 2. Особенности различного конструктивного исполнения теплоутилизатора позволяют устанавливать его как над газоходом, так и под ним, а поставка на монтажную площадку может осуществляться одним блоком полной заводской готовности.

Устройство работает следующим образом. В целях эффективности теплообмена, длительной и надежной работы теплообменники теплоутилизатора выполнены из оребренных коррозионно-стойких металлических труб, расположенных горизонтально в 2-4 ряда в каждом теплообменнике, по ходу движения газов, причем ряды расположены вертикально.

Уходящие дымовые газы из хвостовой части котла по газоходу 1 (см. фиг.1) через шибер 2 поступают во входной патрубок 3 теплоутилизатра, проходят через три теплообменника 4-6, где происходит значительная утилизация тепла уходящих газов за счет нагрева циркулирующей воды и незамерзающей водосодержащей жидкости. Основная часть утилизированной теплоты уходящих дымовых газов приходится на скрытую теплоту парообразования при конденсации водяных паров на наружных поверхностях теплообменников, где образовавшийся конденсат стекает в сборник конденсата 7 и выводится через гидрозатвор по трубопроводу 8 за пределы теплоутилизатора. При этом скорость уходящих дымовых газов, проходящих через теплообменники, выбирается с таким расчетом, чтобы не было уноса капель конденсата за пределы последнего теплообменника. За теплообменниками в патрубках 9, 10 охлажденные и осушенные дымовые газы разделяются на два потока: большой и малый, при этом регулирование соотношения большой/малый поток осуществляется регулировочной пластиной 11.

Малый поток после разделения поступает в выходной патрубок малого потока 9 и поступает в напорный вентилятор 12 и, значительно увеличив свой динамический напор, поступает в щелевое сопло эжектора 13. Большой поток поступает в выходной патрубок 10 и в камеру смешения щелевого эжектор 14, в котором также увеличивается его динамический напор. В щелевом эжекторе 14 оба потока смешиваются, и, за счет увеличения их динамического напора реализуется техническая задача увеличения скорости дымовых газов в теплоутилизаторе и компенсация аэродинамических потерь уходящих дымовых газов в теплоутилизаторе и потери самотяги в дымовой трубе.

В целях регулирования расхода (пропуска) части уходящих дымовых газов мимо теплоутилизатора, в т.ч. и для полного его отключения, во врезном газоходе установлен шибер байпаса 15, который помимо основной заслонки 16 имеет и независимую регулировочную заслонку 17.

Для решения задачи осушения уходящих дымовых газов и сведения образования конденсата в газоходах и дымовой трубе до допустимых значений в тепловой схеме теплоутилизатора предусмотрен выносной теплообменник 18, который включен в тепловую схему калорифера приточной вентиляции 19 как ее первая ступень. Выносной теплообменник 18 работает в паре с последним теплообменником теплоутилизатора 6, где за счет работы циркуляционного насоса 20 по его контуру циркулирует незамерзающая жидкость. Таким образом, реализуется одна из основных целей предлагаемого устройства - обеспечение саморегулирования процесса осушения уходящих дымовых газов в зависимости от температуры наружного воздуха. В тепловой схеме теплоутилизатора, на линии рециркуляции незамерзающей жидкости по контуру выход/вход последнего теплообменника, установлен насос 21, который включается в случае достижения критической температуры незамерзающей водосодержащей жидкости. За счет утилизированного тепла уходящих дымовых газов дополнительно подогретый воздух в приточной вентиляции участвует в тепловом балансе котельной установки как полезно используемое тепло, тем самым повышая КПД котельной установки. Со стороны воды и незамерзающей водосодержащей жидкости предусмотрена группа вентилей, которая позволяет трем теплообменникам теплоутилизатора применять различные схемы включения по контурам (параллельная, последовательная, параллельно-последовательная), а также возможность отключения выносного теплообменника в летний период и слива незамерзающего теплоносителя из последнего теплообменника и включения его в тепловую схему подогрева воды. Шибера 2 предназначены для полного отключения теплоутилизатора от газохода.

Следует указать, что работа предлагаемого устройства возможна лишь при сжигании природного газа или сжиженного газа. При сжигании мазута, в случае перехода на резервное топливо, теплоутилизатор должен быть отключен со стороны уходящих дымовых газов.

Заявленное устройство обладает следующими важными характеристиками:

- заявленный способ обеспечивают повышение эффективности теплообмена в теплоутилизаторе и саморегулирование процесса осушения уходящих ДГ в зависимости от температуры наружного воздуха;

- предлагаемая установка позволяет увеличить скорость омывания дымовыми газами (далее по тексту ДГ) поверхностей нагрева газоводяных теплообменников теплоутилизатора и увеличить коэффициент теплопередачи, одновременно решается техническая задача компенсации аэродинамических потерь на сопротивление уходящих дымовых газов в теплоутилизаторе и потери самотяги в дымовой трубе в результате снижения температуры уходящих газов;

- при выполнении теплообменников теплоутилизатора из оребренных коррозионно-стойких металлических труб, расположенных горизонтально в 2-4 ряда в каждом теплообменнике по ходу газов, и расположении ребер (рядов) вертикально, нагреваемый теплоноситель движется по 2- или 3-ходовой схеме, по ходу ДГ, в результате чего повышается эффективность теплообмена;

- система теплообменников позволяет подключать их по 2- или 3-контурной схеме нагревания теплоносителя, где один или два контура работают на нагрев воды по последовательной или параллельной схеме, в зависимости от потребности (нагрев сетевой воды, подпиточной после ХВО, ГВС),

- эффективность работы теплоутилизатора и степень осушения ДГ повышается с понижением температура наружного воздуха, а дополнительно нагретый воздух в приточной вентиляции участвует в общем тепловом балансе котельной как полезно используемое тепло, так как воздух для сжигания газа обычно берется непосредственно из помещения котельной. Подогретый воздух также необходим и для осуществления воздухообмена в помещении котельных по требованиям санитарных норм и правил безопасной эксплуатации газоиспользующих установок;

- при достаточно низких температурах наружного воздуха, в целях предотвращения ледообразования на наружных поверхностях последнего по ходу ДГ теплообменника теплоутилизатора, на контуре теплоносителя установлена линия рециркуляции, которая включается после достижения критической температуры незамерзающей водосодержащей жидкости (критическая температура определяется в процессе наладки);

- в летний период при высокой температуре наружного воздуха третий (последний по ходу ДГ) теплообменник теплоутилизатора имеет возможность временного отключения от выносной секции, слива из нее незамерзающей водосодержащей жидкости и переключения ее на последовательный подогрев воды совместно со вторым или первым теплообменником или отдельным контуром подогрева воды;

- задача повышения степени заводской готовности достигается различной конструктивной компоновкой и организацией байпаса в теплоутилизаторе, позволяющей устанавливать его над или под газоходам путем врезки в газоход.