Размещено на http://www.allbest.ru/

Использование конденсата водяных паров из уходящих газов в системе теплоснабжения Ульяновской ТЭЦ-3

К.т.н. С.К. Зиганшина, доцент

Разработана схема котельной без водоумягчительной установки, в которой утилизируются теплота уходящих продуктов сгорания (физическая и конденсации водяных паров), выпары атмосферного деаэратора и декарбонизатора.

Конденсационные теплоутилизаторы поверхностного и контактного типов позволяют охлаждать продукты сгорания ниже точки росы и дополнительно использовать скрытую теплоту конденсации содержащихся в продуктах сгорания водяных паров [1, 2, 3].

Механизм тепло- и массообмена в контактном теплообменнике при соприкосновении горячих дымовых газов (ненасыщенной парогазовой смеси) с холодной водой весьма сложен. Здесь одновременно происходят процессы конвективного теплообмена, диффузии, теплообмена при изменении агрегатного состояния и теплопроводности. Коэффициент теплоотдачи от газов к воде в контактном теплообменнике и от газов к поверхности нагрева в конденсационном поверхностном теплообменнике существенно выше (при прочих равных условиях), чем при «сухом», т.е. чисто конвективном теплообмене.

Принцип действия контактных теплообменников заключается в подогреве воды горячими продуктами сгорания при непосредственном их соприкосновении. Тепло- и массообмен между дымовыми газами и водой при их непосредственном соприкосновении происходит благодаря разности температур и парциальных давлений водяных паров. Поверхностью нагрева в контактных аппаратах является поверхность пленки, капель и струек воды, через которую и происходит теплообмен между газами и водой. Одновременно происходит и массообмен между теплоносителями.

В отличие от поверхностных теплообменников, подогрев воды в контактных аппаратах возможен лишь до температуры мокрого термометра t_M, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в дымовых газах. При температуре мокрого термометра между газами и водой достигается динамическое равновесие. При этом все тепло от продуктов сгорания затрачивается на испарение воды и в виде парогазовой смеси возвращается в поток продуктов сгорания. Такой процесс называют адиабатическим испарением (без подвода и отвода тепла извне), а температура t_M - температурой воды при адиабатическом испарении. Таким образом, после установления и достижения водой температуры мокрого термометра охлаждение дымовых газов происходит только за счет испарения воды при постоянной t_M.

Зависимость предельной температуры контактного подогрева воды продуктами полного сгорания природного газа от их температуры, влагосодержания и коэффициента избытка воздуха в них представлена на графиках [1, рис. I- 4]. Кроме этого, t_M может быть рассчитана по уравнению (8) [4].

Для контактных аппаратов, устанавливаемых непосредственно после промышленных котлов, при температуре газов за котлами 250-300 ^ОС - t_M=65-70 ^ОС; при температуре газов на входе в контактный теплоутилизатор 120-140 ^ОС - t_M=50- 60 ^ОС. При повышенном давлении дымовых газов (для котлов, работающих с наддувом) возможен нагрев воды контактным способом до более высоких температур 100-150 ^ОС [1, рис. I-5].

Охлаждение в контактном теплоутилизаторе дымовых газов протекает при переменном влагосодержании последних, т.к. происходит влагообмен между водой и газами.

Известно, что температура, при которой начинается насыщение и выпадение (конденсация) в виде росы водяных паров, содержащихся в газах, называется точкой росы tp Значения точки росы для продуктов сгорания природного газа усредненного состава приведены в [1, рис. I-3]. Для аналитического определения ^ можно воспользоваться следуюшей формулой

t_p=37,1*lg*[d/(3,77+0,085 *б_ух)], (1)

где d - влагосодержание продуктов сгорания, г/кг с.г.; б_ух - коэффициент избытка воздуха в уходящих газах.

Характер изменения влагосодержания уходящих продуктов сгорания зависит от соотношения температуры уходящих из теплоутилизатора газов t_ух и t_р Если температура уходящих из теплоутилизатора газов t_ух будет равна температуре их точки росы (t_ух= t_р ) то влагосодержание продуктов сгорания до и после теплоутилизатора будут примерно одинаковы (Х_ух~Х_ух). Если при использовании контактного теплоутилизатора t_ух превышает t_p,, то в этом случае происходит повышение влагосодержания уходящих продуктов сгорания (Х_ух<Х_ух), т.к. после контактного теплоутилизатора газы независимо от температуры близки к полному насыщению водяными парами. В этом режиме теплоутилизатор фактически работает как контактный испаритель. В поверхностном теплоутилизаторе, в отличие от контактного, увеличение температуры уходящих продуктов сгорания выше t_p, не приводит к повышению их влагосодержания, то есть

при t_ух> t_р Х_ух~Х_ух.

Особенностью процессов глубокого охлаждения продуктов сгорания является изменение их количества вследствие конденсации части водяных паров. В работе [3] представлены зависимости, позволяющие рассчитать количество получаемого из продуктов сгорания конденсата водяных паров при их охлаждении ниже точки росы Дg_W^п=[g_сг^по+g_св^по (б_ух-1)] (x_ух-x_ух), (2)

где Дg_W^п - приведенное количество получаемого из продуктов сгорания конденсата водяных паров; g_св^по - приведенный теоретический расход сухого дутьевого воздуха, g_св^по =1,415; g_сг^по - приведенное теоретическое количество сухих продуктов сгорания, g_сг^по =1,333; б_ух - коэффициент избытка воздуха в продуктах сгорания перед КТ; x_ух и x_ух - влагосодержание продуктов сгорания соответственно на входе в КТ и на выходе из него, кг/кг с.г

Приведенные характеристики определяются по отношению к низшей теплоте сгорания топлива Q_н^с, Мкал/м³. Значения x_ух и x_ух могут быть рассчитаны по приближенным формулам Л.Г Семенюка [3]

x_ух =(0,13+Хв* б_ух)/( б_ух -0,058); (3)

x_ух =[(0,0006382+0,004*б_ух)/(0,199+ б_ух)].ехр(0,062 t_ух), (4)

где t_ух - температура уходящих продуктов сгорания на выходе из теплоутилизатора, ^ОС.

Значения Х_ух в зависимости от коэффициента избытка воздуха в продуктах сгорания перед КТ б_ух и влагосодержания дутьевого воздуха Х_в показаны на рис. 1 (а), а значения Х_ух в зависимости от t_ух- на рис.1 (б). Следует отметить, что даже существенное изменение коэффициента избытка воздуха практически не влияет на значение величины Х_ух.

По величине Дg_W^п рассчитывается абсолютное количество конденсата водяных паров Дg_w, которое может быть получено при охлаждении ниже точки росы продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м³ природного газа.

Дgw= Дg_W^п *Q_н^с/1000, (5)

где Q_н^с - низшая теплота сгорания природного газа, ккал/м³.

Например, при б_ух=1,3; t_ух=40 ^ОС;

Х_в=0,01 кг/кг с.в. получаем:

X_ух=0,11514 кг/кг с.г.; Х_ух =0,0465 кг/кг с.г.; Дg_W^п =0,120635. В этом случае при сжигании 1 м³ природного газа с теплотой сгорания Q_н^с =8523 ккал/м³ выделяется абсолютное количество конденсата водяных паров

Дg_W=0,120635*8523/1000=1,02817 кг.

При увеличении влагосодержания дутьевого воздуха до 0,02 кг/кг с.в. Дg_w составит 1,1849 кг конденсата, а при Х_в=0,07 кг/кг с.в. - Дg_w=1,9689 кг конденсата водяных паров из продуктов сгорания.

Таким образом, на количество конденсата водяных паров, выделяющегося из уходящих газов при их охлаждении ниже точки росы, влияет влагосодержание продуктов сгорания перед теплоутилизатором Х_ух и температура уходящих газов на выходе из него t_ух. Температура уходящих газов на входе в КТ не влияет на Дg_w.

Значения Дg_w в зависимости от t_ух при б_ух=1,3; Х_в=0,01 кг/кг с.в. (t_p=54,62 ^ОС) и Q_н^с=8523 ккал/м³ показаны на рис. 2.

котельная установка конденсат водяной

Анализ графика, представленного на рис. 2, показывает, что при охлаждении продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м³ природного газа, с 55 до 45 ^ОС; с 45 до 35 ^ОС и с 35 до 25 ^ОС увеличение Дg_w составляет соответственно 0,078; 0,044 и 0,024 кг на 1 ^ОС охлаждения газов. Следовательно, с точки зрения получения конденсата водяных паров из продуктов сгорания природного газа наиболее существенным является охлаждение газов до температуры t_ух =30-35 ^ОС.

В процессе охлаждения продуктов сгорания в конденсационном теплоутилизаторе ниже точки росы их влагосодержание снижается. При этом из продуктов сгорания выделяется конденсат водяных паров (обессоленная вода), а продукты сгорания близки к полному насыщению. Выделяющийся в КТ конденсат водяных паров при контакте с продуктами сгорания природного газа поглощает O₂ и CO₂. Исследования качества конденсата водяных паров, выделяющегося из продуктов сгорания природного газа, проведенные М.Б. Равичем, Л.И. Друскиным в Московском институте нефти и газа им. Губкина, ГМ. Климовым в Горьковском инженерно-строительном институте, в лаборатории химического анализа Ульяновской ТЭЦ-3, показали достаточно высокие его качества. Конденсат водяных паров из продуктов сгорания природного газа лишен взвешенных веществ карбонатной жесткости и имеет сухой остаток менее 5 мг/дм³. Он практически является бессолевой водой и превосходит в этом смысле воду, умягченную в водоподготовительных установках промышленных котельных. Конденсат водяных паров, выделяющийся из продуктов сгорания природного газа, после дегазации вполне может быть использован для питания котлов низкого давления [5, 6].

Анализ зависимостей (1)-(5), позволяющих рассчитывать количество получаемого из продуктов сгорания конденсата при их глубоком охлаждении (ниже точки росы), показывает, что количество выделяющегося из продуктов сгорания конденсата водяных паров в большей степени зависит от влагосодержания продуктов сгорания перед КТ и температуры уходящих газов на выходе из него. Одним из путей увеличения влагосодержания газов и количества выделяющегося из продуктов сгорания конденсата водяных паров является искусственное увлажнение дутьевого воздуха, например, путем нагрева его в контактном воздухоподогревателе. При этом дутьевой воздух достигает практически полного насыщения, его влагосодержание будет определяться температурой подогрева и может быть определено по формуле (3).

При нагреве контактным способом дутьевого воздуха котла до 45-50 ^ОС его влагосодержание возрастает с 0,008-0,01 до 0,063-0,086 кг/кг с.в. Это количество водяных паров балластом переходит в дымовые газы. Если в этом случае уходящие продукты сгорания охладить в конденсационном теплоутилизаторе до температуры 40 ^ОС, то количество выделяющегося из продуктов сгорания конденсата водяных паров в ряде случаев будет достаточным для работы котельной без водоумягчительной установки (при расчетной норме подпитки 0,5% трубопроводов закрытой системы теплоснабжения).

По величине Дg_w^п рассчитывается абсолютное количество конденсата водяных паров Дg_w, которое может быть получено при глубоком охлаждении продуктов сгорания, образующихся при сжигании 1 м³ природного газа. Например, при б_ух=1,25; t_ух =45 ^ОС; Х_в=0,01 кг/кг с.в., получаем: Х_ух=0,11955 кг/кг с.г.; Ч_ух=0,06335 кг/кг с.г.; Дg_w^п =0,0948. В этом случае при сжигании 1 м³ природного газа с теплотой сгорания Q_н^с =7973 ккал/м³ выделяется абсолютное количество конденсата водяных паров Дg_w^п=0,0948.7973/1000=0,756 кг При увеличении влагосодержания дутьевого воздуха до 0,02 кг/кг с.в. Дg_w составит 0,897 кг, а при X_B=0,07 кг/кг с.в. - 1,602 кг

Анализ работы парового котла ДЕ-10-14 ГМ Ульяновской ТЭЦ-3 [6] показывает, что при номинальной нагрузке 10 т пара в час расход природного газа составляет 712 м³/ч. Внедрение конденсационного поверхностного теплоутилизатора на паровом котле ст. № 2 Ульяновской ТЭЦ-3 позволило повысить коэффициент использования топлива котла в среднем на 7-8% и одновременно снизить содержание оксидов азота в уходящих газах на 27-29%. Абсолютное количество конденсата водяных паров из уходящих продуктов сгорания составило 0,462 м³/ч. Снижение содержания токсичного диоксида азота в уходящих продуктах сгорания произошло за счет его растворения в конденсате водяных паров, выделившемся из продуктов сгорания при их охлаждении ниже точки росы, равной 55,3 ^ОС при б_ух=1,25. Таким образом, конденсационный теплоутилизатор является не только теплообменником, но и в определенной степени газоуловителем. При этом степень очистки продуктов сгорания от оксидов азота повышается с увеличением количества конденсата водяных паров, выделяющегося из уходящих газов.

При нагревании дутьевого воздуха в контактном воздухоподогревателе до температуры 47 ^ОС, абсолютное количество конденсата водяных паров из дымовых газов при их охлаждении до 40 ^ОС составит 1,629 кг/ч на 1 м³ сжигаемого природного газа, а при сжигании 712 м³/ч газа - 1160 кг/ч.

Увлажнение дутьевого воздуха позволяет получить дополнительный эффект в виде уменьшения содержания NO_X в продуктах сгорания. Установлено, что с увеличением содержания водяного пара в дутьевом воздухе с 0,01 до 0,03 кг/кг с.в. содержание оксидов азота в продуктах сгорания снижается в 2-3 раза.

С целью энергоресурсосбережения и сокращения вредных выбросов в окружающую среду разработана схема котельной без водоумягчительной установки (рис. 3), в которой утилизируются теплота уходящих продуктов сгорания (физическая и конденсации водяных паров), вы- пары атмосферного деаэратора и декарбонизатора [6, 7].

Котельная установка содержит: снабженный контактным теплоутилизатором-экономайзером 1 котел 2, параллельно подключенный своими подводящей и отводящей линиями соответственно 3 и 4 к греющему тракту тепловой сети 5; контактный воздухоподогреватель 6; декарбонизатор 7, патрубок отвода выпара которого соединен трубопроводом 8 с всасывающим коробом дутьевого вентилятора 9 котла 2; атмосферный деаэратор 10 с патрубком отвода выпара, соединенным трубопроводом 11 с каналом 12 уходящих продуктов сгорания; дымосос 13 и теплообменник 14. Теплоутилизатор 1 имеет сборник 15 орошающей воды и конденсата водяных паров из уходящих продуктов сгорания, соединенный с подводящей линией 3 котла 2 через сборный бак 16 декарбонизатора 7 и деаэратор 10.

Теплообменник 14 подключен своим греющим трактом к сборнику 15 теплоутилизатора 1, а трактом нагреваемой среды к сборному баку контактного воздухоподогревателя 6 и к системе горячего водоснабжения (на рис. 3 не показана).

Котельная установка работает следующим образом. Уходящие продукты сгорания после котла 2 поступают в теплоутилизатор 1, где охлаждаются ниже точки росы в результате прямого контакта с потоком орошающей воды, при этом из продуктов сгорания происходит частичная конденсация водяных паров. Нагретая орошающая вода проходит через теплообменник 14, в котором охлаждается и возвращается в контактный теплоутилизатор 1.

Конденсат водяных паров (обессоленная вода), выделяющийся из продуктов сгорания в процессе их глубокого охлаждения в контактном теплоутилизаторе 1, стекает в сборник 15 и затем поступает в сборный бак 16 декарбонизатора 7, откуда подается в атмосферный деаэратор 10 и далее на подпитку греющего тракта тепловой сети 5.

Насыщенный дутьевой воздух после контактного воздухоподогревателя 6 подается в котел 2, откуда продукты сгорания с содержащимися в них водяными парами направляются в контактный теплоутилизатор 1. Увлажнение дутьевого воздуха способствует увеличению производства собственного конденсата водяных паров, выделяющегося из продуктов сгорания в теплоутилизаторе 1. Выпар декарбонизатора 7 подается по трубопроводу 8 во всасывающий короб дутьевого вентилятора 9, что частично снижает производительность воздухоподогревателя и позволяет полностью утилизировать выпар декарбонизатора 7.

Охлажденная в воздухоподогревателе 6 вода прокачивается через теплообменник 14, где она подогревается и возвращается в воздухоподогреватель 6. При этом часть водопроводной (сырой) воды расходуется на компенсацию испарившейся в контактном воздухоподогревателе 6 воды.

Реконструкция паровой котельной Ульяновской ТЭЦ-3, состоящей из 3-х котлов ДЕ-10-14 ГМ, позволит повысить КПД котлов по высшей теплоте сгорания топлива на 7-8%, уменьшить производительность водоумягчительной установки (химводоочистки) на 2,3-2,4 т/ч из расчета постоянной работы двух котлоагрегатов, полностью утилизировать выпар атмосферных деаэраторов и снизить содержание оксидов азота в уходящих продуктах сгорания не менее чем в 2 раза. Использование конденсата водяных паров из уходящих продуктов сгорания в системе теплоснабжения ТЭЦ обеспечивает экономию реагентов и электроэнергии на приготовление химически очищенной воды, при этом сокращаются сбросы продуктов регенерации от натрий-катионитных фильтров в окружающую среду.

Литература

1. Аронов И.З. Контактный нагрев воды продуктами сгорания природного газа. - Л.: Недра, 1990. 280 с.

2. Кудинов А.А., Антонов В.А., Алексеев Ю.Н. Энергосбережение в газифицированных котельных установках путем глубокого охлаждения продуктов сгорания// Теплоэнергетика, 2000. № 1. С. 59-61.

3. Семенюк Л. Г. Получение конденсата при глубоком охлаждении продуктов сгорания//Промышленная энергетика, 1987. № 8. С. 47-50.

4. Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Высокоэффективные газовые контактные водонагреватели. М.: Стройиздат, 1988. 376с.

5. Климов Г.М. Повышение эффективности использования природного газа // Промышленная энергетика, 1975. № 8. С. 20-22.

6. Кудинов А.А., Зиганшина С.К. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. - М: Машиностроение, 2011. 374 с.

7. Зиганшина С.К. Котельная без водоумягчительной установки //Аспирантский вестник Поволжья, 2005. № 1. С. 12-13.

Размещено на Allbest.ru