О компании

Услуги

Отзывы

Публикации

Контакты

О теплоутилизаторах Утилизация тепла и конденсата паровых выбросов

Утилизация теплоты дымовых газов Хвостовые процессы и комплексный подход Опросные листы Отзывы

Утилизация теплоты дымовых газов.

В.С.Галустов, д.т.н., профессор, генеральный директор ГП НПО «Политехника»
Л.А.Розенберг, инженер, директор УП «Юмиран».

Введение.

С дымовыми газами различного происхождения в атмосферу выбрасываются тысячи и тысячи Гкал теплоты, а также тысячи тонн газообразных и твёрдых загрязнителей, водяного пара. В настоящей статье остановимся на проблеме утилизации теплоты (об очистке газовых выбросов поговорим в следующем сообщении). Наиболее глубокое использование теплоты сжигания топлива осуществляется в теплоэнергетических котлах, для чего в большинстве случаев в их хвостовой части предусматриваются экономайзеры. Температура дымовых газов после них порядка 130—190°С, т.е. близка к температуре точки росы паров кислот, которая при наличии в топливе сернистых соединений является нижним пределом. При сжигании природного газа указанное ограничение менее существенно.

Дымовые газы после различного рода печей могут иметь значительно более высокую температуру (до 300-500°С и выше). В этом случае утилизация теплоты (и охлаждение газов) просто обязательна, хоть бы для ограничения теплового загрязнения окружающей среды.

Теплоутилизаторы.

Ещё в первом сообщении [1] мы ограничили круг наших интересов процессами и аппаратами с непосредственным контактом фаз, однако для полноты картины вспомним и оценим также и другие варианты. Все известные теплоутилизаторы можно разделить на контактные, поверхностные, а также устройства с промежуточным теплоносителем. На первых мы подробнее остановимся ниже. Поверхностные теплоутилизаторы — это традиционные калориферы, которые размещаются непосредственно в газоходе после печи (котла) и имеют серьёзные недостатки, ограничивающие их применение. Во-первых, они вносят значительное аэродинамическое сопротивление в газовый тракт и ухудшают работу печей (снижается разряжение) с проектным дымососом, а его замена на более мощный может не компенсировать сопровождающих затрат экономией теплоты. Во-вторых, низкие коэффициенты теплоотдачи от газа к поверхности трубок обусловливают большие значения необходимой поверхности контакта.

Аппараты с промежуточным теплоносителем бывают двух типов: периодического действия с твёрдым теплоносителем и непрерывного — с жидким. Первые представляют собой минимум две колонны, заполненные, например, дроблёным гранитом (насадкой). Дымовые газы проходят через одну из колонн, отдавая теплоту насадке, нагревают её до температуры, несколько ниже температуры газов. Затем дымовые газы переключаются на вторую колонну, а в первую подаётся нагреваемая среда (обычно подаваемый в ту же печь воздух, или воздух системы воздушного отопления) и т.д. Недостатки такой схемы очевидны (большое сопротивление, громоздкость, нестабильность температур и т.п.), а её применение весьма ограничено.

Аппараты с жидким промежуточным теплоносителем (обычно это вода) получили название контактных теплообменников с активной насадкой (КТАН) [2], а авторы [3] после незначительного усовершенствования назвали их теплообменными аппаратами с насыщенным теплоносителем и конденсацией (ТАНТЕК). В обоих случаях нагреваемая дымовыми газами вода затем отдаёт полученную теплоту через стенку поверхностного встроенного теплообменника чистой воде (например, системы отопления). По сравнению с калориферами сопротивление таких утилизаторов значительно ниже, а в части теплообмена в системе дымовые газы — вода полностью аналогичны интересующим нас прямоточно-распылительным аппаратам. Однако есть и существенные отличия, о которых скажем ниже.

Разработчики аппаратов КТАН и ТАНТЕК не рассматривают в своих публикациях особенности теплопереноса при непосредственном контакте дымовых газов и воды, поэтому остановимся на них несколько подробнее.

Основные процессы в системе дымовые газы — вода.

Результат взаимодействия нагретых дымовых газов (по составу и свойствам это фактически влажный воздух) и воды (в виде капель того или иного размера), которую назовём теплоаккумулирующей средой (она может использоваться в качестве основного или промежуточного теплоносителя), определяется целым комплексом процессов.

Одновременно с нагреванием может происходить конденсация влаги на поверхности капель или испарение. Фактически возможны три варианта взаимного направления потоков теплоты и влаги (теплопередачи и массопередачи), которые зависят от соотношения температур фаз и соотношения парциальных давлений пара в пограничном слое (возле капли) и в ядре газового потока (рис. 1а).

При этом первый (верхний) случай, когда потоки теплоты и влаги направлены от капель к газу, соответствует испарительному охлаждению воды; второй (средний) — нагреванию капель при одновременном испарении влаги с их поверхности; третий (нижний) вариант, по которому теплота и влага направлены от газа к каплям, отражает нагревание воды с конденсацией паров. (Казалось бы, что должен существовать и четвёртый вариант, когда охлаждение капель и нагревание газа сопровождаются конденсацией влаги, однако на практике это не встречается.)

Все описанные процессы наглядно можно представить на диаграмме состояния влажного воздуха Рамзина (Н — х диаграмме, рис. 1б).

Уже из сказанного можно сделать вывод, что наиболее желателен третий вариант, но чтобы понять, как его обеспечить, необходимо дополнительно к изложенному в [1] напомнить:

— количество водяных паров, содержащихся в 1 м3 влажного воздуха, называется абсолютной влажностью воздуха. Водяной пар занимает весь объём смеси, поэтому абсолютная влажность воздуха равна плотности водяного пара (в данных условиях) рп

— при насыщении воздуха паром наступает момент, когда начинается конденсация, т.е. достигается предельно возможное содержание пара в воздухе при данной температуре, что соответствует плотности насыщенного водяного пара рн;

— отношение абсолютной влажности к максимально возможному количеству пара в 1 м3 воздуха при данном давлении и температуре называется относительной влажностью воздуха ф;

— количество водяного пара в кг, приходящегося на 1 кг абсолютно сухого воздуха, называется влагосодержанием воздуха х;

— влажный воздух как теплоноситель характеризуется энтальпией / (теплосодержанием), являющейся функцией температуры и влагосодержания воздуха и равной сумме энтальпий сухого воздуха и водяного пара [4]. В наиболее удобном для применения на практике виде формулу для расчёта энтальпии можно представить

I= (1000 + 1,97 • 103х) t+ 2493 • • 103х Дж/кг сухого воздуха, где 1000 — удельная теплоёмкость сухого воздуха, Дж/кг*град); 1,97*103 — удельная теплоёмкость пара, Дж/(кг*град); 2493*103 — постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при 0°С; t— температура воздуха, °С;

или

I = 0,24t + (595 + 0,47t) Xккал/кг сухого воздуха; где 595 — постоянный коэффициент, примерно равный энтальпии пара при 0°С; 0,24 — удельная теплоёмкость сухого воздуха, ккал/(кгтрад); 0,47 — теплоёмкость пара, ккал/(кгтрад);

— при охлаждении воздуха (в условиях постоянного влагосодержания) относительная влажность будет возрастать до тех пор, пока не достигнет 100%. Соответствующая этому температура называется температурой точки росы. Её значение определяется исключительно влагосодержанием воздуха. На диаграмме Рамзина это точка пересечения вертикальной прямой х = const с линией ф = 1.

Охлаждение воздуха ниже точки росы сопровождается конденсацией влаги, т.е. осушкой воздуха.

Некоторую путаницу вносят издания, приводящие значения точки росы для различных твёрдых и жидких топлив порядка 130-150°С. Надо иметь в виду, что это касается начала конденсации паров серной и сернистой кислот (обозначим eetpK), а не водяного пара (tp), о котором мы говорили выше. Для последнего температура точки росы значительно ниже (40-50°С).

Итак, три величины — расход, температура и влагосодержание (либо температура мокрого термометра) — в полной мере характеризуют дымовые газы как источник вторичных энергоресурсов.

При контакте воды с горячими газами первоначально происходит процесс нагревания жидкости и конденсации паров на поверхности холодных капель (соответствует 3-му варианту на рис. 1а) до тех пор, пока не будет достигнута температура, соответствующая точке росы для газа, т.е. граница перехода ко второму режиму (3-й вариант на рис. 1а). Далее, по мере нагревания воды и роста парциального давления пара у поверхности капель, количество теплоты, передаваемой им за счёт теплоотдачи Q1 будет уменьшаться, а количество теплоты, передаваемой от капель к дымовым газам за счёт испарения Q2, — возрастать. Продолжаться это будет до достижения равновесия (Q1= Q2), когда вся теплота, получаемая водой от дымового газа, будет возвращаться газу в виде теплоты испарения жидкости. После этого дальнейшее нагревание жидкости невозможно, и происходит её испарение при постоянной температуре. Достигаемая при этом температура называется температурой мокрого термометра tM(на практике определяют как температуру, показываемую термометром, шарик которого покрыт влажной тканью, с которой происходит испарение влаги).

Таким образом, если в утилизатор подавать воду с температурой, равной (или большей) tM, то будет наблюдаться адиабатическое (при постоянном теплосодержании) охлаждение газов и никакой теплоутилизации не будет (не считая негативных последствий — потерь воды и увлажнения газов).

Процесс становится более сложным, если учесть, что состав капель полидисперсный (обусловлен механизмами распада жидкостей при распылении). Мелкие капли мгновенно достигают tMи начинают испарятся, изменяя параметры газа в сторону увеличения влагосодержания, средние — могут находиться между tpи tM, а крупные — ниже tp, т.е.

нагреваются и конденсируют влагу. Всё это протекает одновременно при отсутствии чётких границ.

Всесторонне проанализировать результаты непосредственного контакта капель теплоаккумулирующей среды и горячих дымовых газов возможно только на основе математической модели, учитывающей весь комплекс явлений (одновременно протекающие тепло- и массоперенос, изменения параметров сред, аэродинамической обстановки, полидисперсный состав капельного потока и т.д.).

Описание модели и результатов анализа на её основе приведено в монографии [2], к которой мы и рекомендуем обратиться заинтересованному читателю. Здесь отметим лишь главное.

Для большинства дымовых газов температура мокрого термометра находится в пределах 45-55°С, т.е. вода в зоне непосредственного контакта с дымовыми газами, как отмечалось выше, может быть нагрета только до указанной температуры, хотя и с достаточно глубокой теплоутилизацией. Предварительное же увлажнение газов, как это предусматривается конструкцией ТАНТЕК, не только не приводит к увеличению количества утилизируемой теплоты, а даже к его снижению.

И, наконец, следует учитывать, что при утилизации теплоты даже из газов, не содержащих сернистые соединения, охлаждать их ниже 80°С не следует (затрудняется их эвакуация в окружающую среду через газоход и дымовую трубу).

Поясним сказанное на конкретном примере. Пусть дымовые газы после котла в количестве 5000 кг/ч, имеющие температуру 130°С и влагосодержание 0,05 кг/кг, контактируют с теплоутилизирующей средой (водой, tH= 15°С). Из Н—х диаграммы находим: tM= 49,5°С; tp= 40°С; I = 64 ккал/кг. Расчёты по модели показали, что при охлаждении газов до 80°С полидисперсным потоком капель со средним диаметром 480 мкм, влагосодержание фактически остаётся неизменным (испарение мелких капель компенсируется конденсацией на крупных), tMстановится равной 45°С, а теплосодержание I = 50 ккал/кг. Таким образом, утилизируется 0,07 Гкал/ч теплоты, а теплоаккумулирующая среда в количестве 2,5 м3/ч нагревается с 15 до 45°С.

Если же использовать ТАНТЕК и предварительно провести увлажнение — адиабатическое охлаждение газов до t- 100°С, а далее охлаждать до 80°С при X = const, то конечные параметры газа будут: tM = 48°С; I = 61,5°С. И хотя вода нагреется несколько выше (до 48°С), количество утилизируемой теплоты уменьшается в 4 раза и составит 0,0175 Гкал/ч.

Варианты организации утилизации теплоты.

Решение конкретной задачи утилизации теплоты дымовых газов зависит от ряда факторов, в том числе от наличия загрязняющих веществ (определяется видом сжигаемого топлива и объектом нагревания дымовыми газами), наличием потребителя теплоты или непосредственно горячей воды и т.д.

На первом этапе следует определить количество теплоты, которое в принципе может быть извлечено из имеющихся дымовых газов, и оценить экономическую целесообразность теплоутилизации, так как капитальные затраты на неё не пропорциональны количеству утилизируемой теплоты.

Если ответ на первый вопрос положительный, то следует оценить возможность использования умеренно нагретой воды (например, при сжигании природного газа направить её на подготовку подпиточной воды котлов или теплосети, а при загрязнении пылевыми частицами целевого продукта использовать на приготовление сырьевой массы, например в производстве керамических изделий и т.п.). Если вода слишком загрязнена, можно предусмотреть двухконтурную систему или теплоутилизацию сочетать с очисткой дымовых газов (получить более высокие (выше 45-5СРС) температуры или поверхностную ступень).

Вариантов организации процесса утилизации теплоты много. От выбора оптимального решения зависит экономическая эффективность мероприятия.

Литература:

1. Галустов B.C. Тепломассообменные процессы и аппараты с непосредственным контактом фаз в теплоэнергетике // Энергия и менеджмент.— 2003.— № 4.

2. Галустов B.C. Прямоточные распылительные аппараты в теплоэнергетике.— М.: Энергоатомиздат, 1989.

3. Суханов В.И. и др. Установки утилизации тепла и очистки дымовых газов паровых и водогрейных котлов.— М.: АКВА-ТЕРМ, июль 2001.

4. Плановский А.Н., Рамм В.М., Каган С.З. Процессы и аппараты химической технологии.— М.: Госхимиздат, 1962.—С.736-738.





 
© 1990—2013 ООО НПО «Политехника». Градирни эжекционные, деаэраторы, декарбонизаторы, установки обезжелезивания воды, подогреватели пароводяные, скрубберы, теплоутилизаторы. Металлообработка.
Использование материалов только с письменного разрешения.