ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР ДЛЯ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ

Название	ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР ДЛЯ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ
Разработчик (Авторы)	Горфин Олег Семенович, Зюзин Борис Федорович
Вид объекта патентного права	Изобретение
Регистрационный номер	2555919
Дата регистрации	08.04.2014
Правообладатель	Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тверской государственный технический университет"

Описание изобретения

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

Известна установка для утилизации тепла дымовых газов, содержащая установленные в газоходе ороситель с раздающими соплами, утилизационный теплообменник и теплообменник промежуточного теплоносителя, нагреваемый тракт которого на входе подключен к влагосборнику, при этом ороситель расположен перед указанными теплообменниками, установленными один напротив другого на одинаковом расстоянии от оросителя, сопла которого направлены в противоположную по отношению к теплообменникам сторону. Кроме того, установка дополнительно снабжена теплообменником догрева орошающей воды, установленным в газоходе и расположенным над оросителем, нагреваемый тракт которого на входе подключен к теплообменнику промежуточного теплоносителя, а на выходе - к оросителю (RU, №2193727, МПК F22B 1/18, F24H 1/10, 2002).

Недостаток данной установки заключается в том, что дымовые газы контактируют с охлаждающей жидкостью, в связи с чем вода поглощает из продуктов горения углекислоту и кислород и приобретает коррозийно-агрессивные свойства.

Известно устройство утилизации тепла дымовых газов, содержащее газо-газовый теплообменник, конденсатор, инерционный каплеуловитель, газоходы, воздуховоды, вентиляторы и трубопровод, при этом газо-газовый поверхностный пластинчатый теплообменник выполнен по схеме противотока, в качестве конденсатора установлен поверхностный газовоздушный пластинчатый теплообменник, в газоходе холодных осушенных дымовых газов установлен дополнительный дымосос, перед дополнительным дымососом врезан газоход подмеса части подогретых осушенных дымовых газов (RU, №2436011, МПК: F22B 1/18, 10.12.2011). Охлажденные влажные дымовые газы попадают в газовоздушный поверхностный пластинчатый теплообменник-конденсатор, где конденсируются содержащиеся в дымовых газах водяные пары, нагревая воздух. Нагретый воздух используется для отопления помещений и покрытия потребности процесса горения газа. Осушенные дымовые газы подаются дополнительным дымососом в описанный выше подогреватель, где нагреваются для предотвращения возможной конденсации водяных паров в газоходах и дымовой трубе. Аэродинамическое сопротивление газового тракта в газоходе холодных осушенных дымовых газов компенсируется дополнительным дымососом. Для исключения конденсации остаточных водяных паров, уносимых потоком из конденсатора, перед дополнительным дымососом подмешивают часть подогретых осушенных дымовых газов (до 10%).

Однако нагреваемой средой является холодный воздух, подаваемый вентилятором из окружающей среды. Для создания необходимого температурного напора используется воздух температурой (-15°C). Данная установка не может использоваться круглогодично, что неприемлемо для работы ТЭЦ. К недостаткам также следует отнести достаточно сложную технологию утилизации тепла и использование кондиционного поверхностного пластинчатого теплообменника, которые имеют значительно развитую поверхность, составляющую сотни квадратных метров на 1 м³ объема аппарата.

Наиболее близким к заявляемому устройству по использованию и технической сущности является кондиционный теплоутилизатор поверхностного типа на основе использования биметаллического калорифера КСк-4-11-02 ХЛЗ Костромского калориферного завода, установленного на Ульяновской ТЭЦ-3, содержащий газоходы, дымосос, утилизационный поверхностный теплообменник-калорифер, конденсатосборник, трубопроводы, обводной канал горячих дымовых газов и дымовую трубу /А.А. Кудинов, С.К. Зиганшена. Энергоснабжение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. М.: Машиностроение. 2011. С. 46/.

Калорифер устанавливают в вертикальном газоходе между экономайзером ТЭЦ и дымососом. При этом тепло уходящих дымовых газов используется для подогрева воды. В нижней части вертикального участка газохода предусмотрен канденсатосборник для сбора конденсата водяных паров из дымовых газов. Вода протекает по биметаллическим трубам, которые омываются дымовыми газами. Благодаря большой поверхности (114,5 м) теплоутилизатора дымовые газы при температуре 135-150°C охлаждаются до температуры 35-40°C, при этом происходит частичная конденсация водяных паров, содержащихся в газах. Образующийся конденсат собирается в поддоне и направляется в бак декарбонизированной воды, откуда насосами подается в деаэратор для подпитки теплосети при закрытой системе теплоснабжения.

Принципиальный недостаток кондиционных теплоутилизаторов заключается в следующем. Если в теплообменнике нагревается вода, то для конденсации водяных паров из дымовых газов необходимо, чтобы температура стенки теплообменника была ниже точки росы, которая составляет при коэффициенте избытка воздуха (1,0-1.5)-(53-55°C), поэтому температура нагрева воды в конвективном пакете не превышает 50°C. В рассматриваемых экспериментах исходная вода нагревалась от 5 до 22°C. Таким образом, рассмотренное техническое решение не может использоваться на ТЭЦ в связи с высокой металлоемкостью и низким температурным эффектом. Для использования конденсата требуется его очистка.

Известен способ работы устройства утилизации тепла дымовых газов, по которому дымовые газы охлаждают в газо-газовом теплообменнике, нагревая осушенные дымовые газы, конденсируют водяные пары, содержащиеся в дымовых газах в конденсаторе, и нагревают часть дутьевого воздуха. При этом в газо-газовом теплообменнике нагревают осушенные дымовые газы за счет охлаждения исходных дымовых газов по схеме противотока без регулирования расхода газов, конденсируют водяные пары в поверхностном газовоздушном пластинчатом теплообменнике-конденсаторе, нагревая воздух, и используют его для отопления и покрытия потребности процесса горения, а конденсат после дополнительной обработки используют для восполнения потерь в теплосети или паротурбинном цикле, в газоходе холодных осушенных дымовых газов компенсируют аэродинамическое сопротивление газового тракта дополнительным дымососом, перед которым подмешивают часть подогретых осушенных дымовых газов, исключая конденсацию остаточных водяных паров, уносимых потоком из конденсатора, регулирование температуры нагретого воздуха осуществляют при помощи изменения числа оборотов дымососа в зависимости от температуры наружного воздуха (RU, №2436011, МПК: F22B 1/18, 10.12.2011).

Из-за того, что в качестве нагреваемой среды используют холодный воздух, подаваемый вентилятором из окружающей среды, то для создания необходимого температурного напора нужно использовать воздух с температурой -15°C, в связи с чем использование данной установки, а следовательно, и способа ее работы возможно только в зимний период времени года, что исключает возможность круглогодичного использования. Кроме того, к недостаткам также необходимо отнести сложную технологию утилизации тепла и сложное оборудование.

Задачей изобретения является обеспечение возможности утилизации «скрытой» теплоты парообразования влаги топлива.

Техническим результатом является повышение экономических показателей работы ТЭЦ, увеличение КПД работы.

Поставленная задача и, как следствие, указанный технический результат достигаются тем, что теплоутилизатор для глубокой утилизации тепла дымовых газов поверхностного типа содержит газоходы, дымосос, утилизационный поверхностный теплообменник - калорифер, конденсатосборник, трубопроводы, обводной газоход горячих дымовых газов и дымовую трубу. Согласно изобретению перед дымовой трубой размещен изолированный резервуар с проточной водой, имеющий с двух торцевых сторон рубашки, разделенные горизонтальными полками на секции.

Внутри резервуара расположены горизонтальные параллельные ряды труб, изолированные от резервуара и объединяющие объемы рубашек, состоящие из отдельных пучков, 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 секции рубашек. Пучки труб и секции рубашек между ними образуют непрерывный змеевик переменного сечения для перемещения дымовых газов навстречу проточной воде.

Способ работы теплоутилизатора включает охлаждение дымовых газов в теплооменнике по схеме противотока, конденсацию водяных паров, содержащиеся в дымовых газах, компенсацию аэродинамического сопротивления газового тракта дополнительным дымососом. Согласно изобретению горячие дымовые газы перемещаются по змеевику, трубы которого погружены 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, которая без дополнительной обработки используется в паротурбинном цикле. Серная и сернистая кислоты конденсируются из дымовых газов в первую очередь в нижней части змеевика и вымываются из него с помощью части конденсата влаги топлива в конденсатосборник кислот, откуда через патрубок удаляются в промышленную канализацию, а основная масса конденсата водяных паров выделяется позднее при дальнейшем охлаждении дымовых газов и через конденсатосборник водяного пара без дополнительной обработки направляется потребителям горячей воды.

Отличием предлагаемого устройства и способа от известных является то, что в теплоутилизаторе теплоты дымовых газов поверхностного типа регулируется время передачи теплоты от среды горячих дымовых газов охлаждающей жидкости изменением скорости ее перемещения с помощью шибера. Причем расход охлаждающей жидкости зависит от ее температуры.

В предлагаемом теплоутилизаторе используется более эффективный способ теплообмена между средами, передающими теплоту и ее воспринимающую. В теплоутилизаторе дымовые газы, содержащие влагу топлива, с температурой 150-160°C перемещаются по трубам змеевика. Коэффициент теплоотдачи при этом за счет вынужденной конвекции газов с конденсацией водяного пара - металлическая стенка составляет более 500 Вт/(м²x°С). В предлагаемом устройстве трубы змеевика находится непосредственно в объеме охлаждающей жидкости, поэтому теплообмен происходит постоянно контактным способом. Это позволяет осуществить более глубокое охлаждение топочных газов до температуры 40-45°C, причем вся утилизированная теплота парообразования влаги топлива передается охлаждающей воде, которая без дополнительной обработки используется в паротурбинном цикле.

Серная и сернистая кислоты конденсируются при температуре 130-140°C, поэтому конденсация кислот в предлагаемом теплоутилизаторе происходит в начальной части змеевика. Плотность конденсата кислот больше плотности водяных паров и при снижении скорости газового потока в расширяющихся частях змеевика - секциях рубашки конденсат кислот выпадает в осадок и вымывается из газов частью конденсата водяных паров в конденсатосборник кислот, откуда удаляется в промышленную канализацию. Большая часть конденсата - конденсат водяных паров выделяется при дальнейшем понижении температуры газов до 60-70°C - в верхней части змеевика и поступает в конденсатосборник влаги, откуда без дополнительной обработки может использоваться в качестве горячей воды.

Устройство теплоутилизатора поясняется чертежом, где на рис. 1 изображена схема теплоутилизатора, на рис. 2 - соединение труб змеевика с рубашкой.

Теплоутилизатор для глубокой утилизации тепла дымовых газов поверхностного типа содержит корпус 1, который опирается на основание 2. В средней части корпуса установлен изолированный резервуар 3 в виде прямоугольного параллелепипеда, заполненный предварительно очищенной проточной водой. Воду заливают сверху через патрубок 4 и удаляют в нижней части корпуса 1 насосом 5 через шибер 6. С двух торцевых сторон резервуара 3 расположены изолированные от средней части корпуса 1 рубашки 7 и 8, полости которых через объем резервуара 3 соединены между собой рядами горизонтальных параллельных труб, образующие пучки труб 9, в которых газы перемещаются в одну сторону. Рубашка 7 разделена на секции нижнюю и верхнюю одинарные 10 (высотой h) и остальные 11 - двойные (по высоте 2h); рубашка 8 имеет секции только двойные 11. Нижняя одинарная секция 10 рубашки 7 пучком труб 9 соединена с нижней частью двойной секции 11 рубашки 8. Далее верхняя часть двойной секции 11 рубашки 8 пучком труб 9 соединена с нижней частью следующей двойной секции 11 рубашки 7 и так далее. Последовательно верхняя часть секции одной рубашки соединена с нижней частью секции второй рубашки, а верхняя часть этой секции соединена пучком труб 9 с нижней частью следующей секции первой рубашки, образуя, таким образом, змеевик переменного сечения: пучки труб 9 периодически чередуются объемами секций рубашек. В нижней части змеевика расположен патрубок 12 - для подвода дымовых газов, в верхней части - патрубок 13 для выхода газов. Патрубки 12 и 13 соединены между собой дополнительным обводным газоходом 14, в котором установлен шибер 15, предназначенный для перераспределения части горячих дымовых газов в обход теплоутилизатора в дымовую трубу (на рисунке не показана) для повышения температуры остывших дымовых газов с целью предотвращения возможной конденсации остатков паров влаги топлива в хвостовых участках системы. При необходимости возможна установка более мощного дымососа или дополнительного дымососа, обеспечивающих необходимую тягу.

Трубы змеевика, расположенные в шахматном порядке, изготовлены из антикоррозионного материала, для предотвращения коррозии, все поверхности теплоутилизатора и соединительных трубопроводов гуммированы.

Дымовые газы подводятся к теплоутилизатору снизу через патрубок 12, а удаляются в верхней части установки - патрубок 13. Предварительно подготовленная холодная вода заполняет резервуар сверху через патрубок 4, а удаляется насосом 5, расположенным в нижней части корпуса 1 через шибер 6. Противоток потоков воды и дымовых газов повышает эффективность теплообмена. Использование насоса 5 с помощью шибера 6 позволяет регулировать время нахождения охлаждающей жидкости в установке и соответственно «глубину» утилизации теплоты парообразования влаги топлива. Охлаждающая вода нигде не контактирует с дымовыми газами и поэтому может полностью использоваться в качестве питательной в паротурбинном цикле.

Теплоутилизатор теплоты влаги дымовых газов предназначается для топок, работающих на малосернистом топливе. Начало конденсации паров серной и сернистой кислот происходит при температуре 130-140°C, водяных паров при 60-70°C, охлаждение дымовых газов осуществляется до температуры 40-45°C. Объем секций рубашек 7 и 8 больше объема труб, соединяющих их, поэтому скорость газов в них снижается. Сконденсированные кислоты имеют большую плотность по сравнению с водой, поэтому выпадают в осадок и вымываются из дымовых газов большим объемом сконденсированных паров воды в канденсатосборник кислот 16 и далее в промышленную канализацию, что соответственно снижает риск коррозии хвостовых участков газового тракта. Основная масса конденсата водяных паров через канденсатосборник 18 без дополнительной обработки используется в качестве горячей воды.

Способ работы теплоутилизатора тепла дымовых газов осуществляется следующим образом.

Влажные дымовые газы поступают в теплоутилизатор и разделяются на две части: в нижнюю одинарную секцию 10 (высотой h) рубашки 7 поступает основная часть (около 80%) продуктов сгорания и по трубам пучка 9 змеевика перемещается в двойную секцию 11 (высотой 2h) рубашки 8. Остальная часть (около 20%) направляется в обводной газоход 14.

Температура газов уменьшается в связи с тем, что трубы змеевика находятся в среде охлаждающей жидкости.

Точка росы серной и сернистой кислот составляет 120-130°C, поэтому в трубах нижних секций происходит конденсация паров кислот. Объем секций рубашек больше объема пучков труб 9, в связи с чем, скорость газов в секциях уменьшается, конденсат кислот выпадает из потока газов и конденсатом водяных паров смывается в канденсатосборник кислот 16 и далее при срабатывании затвора 17 - в промышленную канализацию.

Дымовые газы из верхней части секции 11 рубашки 8 по пучку труб 9 возвращаются в нижнюю часть секции 11 рубашки 7 и так далее через змеевик к выходному патрубку 13. Температура дымовых газов при движении по трубам змеевика уменьшается и, следовательно, конденсация водяных паров происходит позднее, чем конденсация кислот, - в верхней части теплоутилизатора и через конденсатосборник 18 поступает потребителям горячей воды. Расход охлаждающей воды регулируется шибером 6, за счет чего обеспечивается необходимая скорость перемещения охлаждающей жидкости в резервуаре и соответственно время теплообмена, при котором температура дымовых газов понижается до 40-45°C. Охлаждающая жидкость перекачивается насосом 5 через шибер 6 из теплоутилизатора и может полностью без дополнительной обработки использоваться в паротурбинном цикле.

Для исключения возможности конденсации остатков водяных паров в дымовой трубе к охлажденным газам добавляются исходные горячие дымовые газы по обводному газоходу 14, обеспечивающие увеличение температуры до 60-65°C, регулирование температуры осуществляется шибером 15.

Согласно теплотехническим расчетам котельной установки при паропроизводительности котла 30 т пара/ч (температура 425°C, давление - 3,8 МПа) в топке типа Ломшакова-Крулль сжигается 17,2 т/ч фрезерного торфа влажностью 50% /Горфин О.С. Машины и оборудование по переработке торфа. Часть 1. Производство торфяных брикетов/О.С. Горфин, А.В. Михайлов. Тверь, 2013. 247 с./; с. 159-161.

В торфе влажностью 50% содержится 8,6 т/ч влаги, которая при сжигании торфа переходит в дымовые газы.

Проверочные расчеты показывают, что для котла паропроизводительностью 30 т пара/ч применение предлагаемого теплоутилизатора и способа его использования позволяют утилизировать теплоту дымовых газов, равную 18,01, MDж/ч, и затрачивать ее для нагрева водопроводной воды, используемой затем в паротурбинном цикле. Расход охлаждающей воды W зависит от температуры ее нагрева t₂, определяемый по зависимости W=4,3×10⁶/(t₂-8)×3600, кг/с. Например, при температуре охлаждающей воды 25°C расход составит - 87,8 кг/с, а при t₂=100°C-W=16,2, кг/с.

В установке конденсируются пары влаги топлива в количестве

G=4 642 т/ч.

Коэффициент полезного действия теплоутилизатора при утилизации:

тепла КПД_тепл=56,5%;

конденсата КПД_конд=54%.

В настоящее время изобретение находится на стадии технического предложения.

Формула изобретения

1. Теплоутилизатор для глубокой утилизации тепла дымовых газов поверхностного типа, содержащий газоходы, дымосос, утилизационный поверхностный теплообменник - калорифер, конденсатосборник, трубопроводы, обводной канал горячих дымовых газов и дымовую трубу, отличающийся тем, что перед дымовой трубой размещен изолированный резервуар с проточной водой, имеющий с двух торцов рубашки, разделенные горизонтальными полками на секции, внутри резервуара расположены горизонтальные параллельные ряды труб, изолированные от резервуара, соединяющие 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 большим объемом секций рубашек, пучки труб и секции рубашек между ними образуют непрерывный змеевик переменного сечения для перемещения дымовых газов навстречу проточной воде.

2. Способ работы теплоутилизатора, включающий охлаждение дымовых газов в теплообменнике по схеме противотока, конденсацию водяных паров, содержащихся в дымовых газах, компенсацию аэродинамического сопротивления газового тракта дополнительным дымососом, отличающийся тем, что горячие дымовые газы протекают по трубам змеевика, погруженным в резервуар с проточной охлаждающей водой, передают всю утилизированную тепловую энергию парообразования влаги топлива через металлическую стенку труб змеевика охлаждающей воде, омывающей трубы, которая без дополнительной обработки используется в паротурбинном цикле, при этом расход охлаждающей воды регулируют в зависимости от необходимой ей температуры.

3. Способ по п. 2, отличающийся тем, что серная и сернистая кислоты, конденсирующиеся из дымовых газов, вымываются из них с помощью части конденсата влаги топлива в нижней части теплоутилизатора и поступают в конденсатосборник кислот, откуда через патрубок удаляются в промышленную канализацию, а большая часть конденсата - конденсат водяных паров выделяется в верхней части теплоутилизатора и поступает в конденсатосборник влаги, откуда без дополнительной обработки направляют потребителям горячей воды.

Изобретение "ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР ДЛЯ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА ДЫМОВЫХ ГАЗОВ ПОВЕРХНОСТНОГО ТИПА И СПОСОБ ЕГО РАБОТЫ" (Горфин Олег Семенович, Зюзин Борис Федорович) отмечено юбилейной наградой (25 лет Российской Академии Естествознания)
Медаль Альфреда Нобеля

Оформление наградных документов и заказ каталога