ТЕПЛОУТИЛИЗАТОР Российский патент 2008 года по МПК F22B1/18 

Изобретение относится к области энергосбережения и может быть использовано в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности с топливоиспользующим оборудованием для глубокой утилизации тепла и мокрой очистки уходящих газов.

Любое топливоиспользующее оборудование (паровые и водогрейные котлы, тепловые двигатели, технологические печи, сушильные установки и т.п.) немалую долю энергии, полученной от сжигания топлива, теряет с горячими уходящими газами. В большинстве случаев теряется часть явного и 100% скрытого тепла (энергии парообразования/конденсации содержащегося в продуктах сгорания водяного пара), выделившегося при сжигании топлива. Часть тепла горячих газов после основных (обусловленных назначением оборудования) тепловоспринимающих элементов используется в экономайзерах и воздухоподогревателях. Но даже энергоэффективные низкотемпературные (неконденсационные) котлы имеют температуру газов перед дымовой трубой значительно выше точки росы (температура начала конденсации содержащегося в газах водяного пара), что обусловлено необходимостью иметь температурный резерв во избежание начала конденсации и низкотемпературной коррозии на всем протяжении газового тракта вплоть до устья дымовой трубы. Некоторые же котлы промышленных и коммунальных предприятий не оборудованы экономайзерами и воздухоподогревателями, что делает их КПД неоправданно низким.

Существуют конденсационные котлы, охлаждающие уходящие газы ниже температуры точки росы, теплообменные поверхности которых имеют большую площадь по сравнению с обычными котлами той же мощности и изготавливаются из дорогих коррозионно-стойких материалов. Такие котлы при высоком КПД значительно дороже обычных и эффективны только при работе с низкотемпературными отопительными контурами, которые в нашей стране с суровым климатом не получили распространения. В дополнение к таким котлам требуются коррозионно-стойкие газоходы и вставки в дымовые трубы.

Известны теплоутилизационные системы, выполненные как приставки к топливоиспользующему оборудованию, так и объединенные с ним в единое целое.

Наиболее близким к изобретению аналогом является «Установка глубокой утилизации тепла уходящих газов и способ предотвращения конденсации в хвостовых элементах газового тракта» (патент РФ №2262037, F22В 1/18 от 12.04.2002). Недостатками данного решения являются сложность системы (многообъектное и многофакторное управление); вероятность охлаждения в газо-газовом теплообменнике ниже точки росы ответвленной от общего потока части греющего газа и создание условия для коррозии теплообменника и следующих за ним элементов газового тракта (вероятность тем выше, чем меньше относительная масса участвующего в теплообмене газа); нецелесообразное использование в качестве последней ступени подогрева влажных газов газо-водяного теплообменника, т.к. возможны режимы, когда температура греющей воды, не превышающая температуры мокрого термометра утилизируемых газов, окажется меньше необходимой для создания температурного резерва (такая ступень вместо нагрева будет охлаждать газы, увеличивая вероятность конденсации паров и коррозии элементов газового тракта); отсутствие характеристик потребителя низкопотенциального тепла и механизма, обеспечивающего глубокое охлаждение уходящих газов.

Предлагаемое изобретение решает задачу повышения энергетической эффективности топливоиспользующего оборудования и связанные с ней следующие задачи: недопущения конденсации паров уходящих газов до поступления в теплоутилизатор; глубокого охлаждения уходящих газов в теплоутилизаторе с целью максимального использования потенциала топлива; очистки газов от загрязнений и вредных соединений; рационального и экономичного подогрева и осушения газов после теплоутилизатора с целью исключения конденсации водяных паров и связанной с ней коррозии элементов газового тракта; регулирования системы с целью получения максимально возможного эффекта независимо от внешних условий и режимов работы оборудования.

Приемниками низкопотенциального тепла, обеспечивающими охлаждение уходящих газов ниже точки росы, могут быть обратная теплофикационная вода, холодная вода для приготовления горячей, холодный дутьевой воздух. Температура обратной воды теплосети переменна в течение отопительного сезона и, как правило, выше точки росы уходящих газов. Даже при использовании низкотемпературных систем отопления, таких как теплые полы и т.п., в большинстве случаев удастся сконденсировать менее половины водяных паров, содержащихся в продуктах сгорания. Холодная водопроводная вода, исходная для горячего водоснабжения, имеет оптимальную температуру для охлаждения газов и конденсации большей части водяных паров, потребителей же большого стабильного объема горячей воды не так много (различные технологические процессы), объемы подпитки котлов также невелики. Только горячее водоснабжение бытового сектора имеет значительные объемы, достаточные для усвоения скрытого и явного тепла утилизации, но суточный график очень непостоянен и в ночные часы потребление падает практически до нуля. Холодный наружный воздух при теплообмене имеет водяной эквивалент значительно меньше водяного эквивалента уходящих газов, вследствие чего не всегда может усвоить необходимый объем тепловой энергии и охладить продукты сгорания ниже точки росы. Оптимальным потребителем низкопотенциального тепла является комбинация системы горячего водоснабжения и системы подогрева дутьевого воздуха, соединенных последовательно по ходу оборотной воды контактного теплообменника, причем воздух служит для доохлаждения теплоносителя до температуры, как угодно близкой к точке замерзания воды (температура воздуха большую часть отопительного сезона имеет отрицательное значение), что способствует максимальному извлечению энергии из утилизируемых газов. В часы минимального горячего водоразбора система подогрева дутьевого воздуха является единственным потребителем низкопотенциального тепла, позволяющим утилизировать часть энергии и осуществлять мокрую очистку уходящих газов.

Для решения поставленной задачи предложен теплоутилизатор, включающий контактный теплообменник, каплеуловитель, газо-газовый теплообменник, газоходы, трубопроводы и насос. Греющий газ через газо-газовый теплообменник пропускается прямотоком, а нагреваемый частично идет через обводной канал, по ходу оборотной воды контактного теплообменника последовательно расположены водо-водяной теплообменник и водо-воздушный теплообменник с обводным каналом по ходу воздуха. По показаниям датчиков температуры в водо-воздушном теплообменнике при помощи клапанов-регуляторов производится перераспределение потоков воздуха через водо-воздушный теплообменник и обводной канал с целью поддержания минимально допустимой температуры оборотной воды на выходе из водо-воздушного теплообменника. По показаниям датчиков температуры на выходе из контактного теплообменника и на поверхности устья дымовой трубы при помощи клапанов-регуляторов производится перераспределение потоков нагреваемого газа через газо-газовый теплообменник и обводной канал с целью поддержания минимально допустимой температуры уходящего из дымовой трубы газа.

Теплоутилизатор работает следующим образом. Уходящие газы по газоходу 5 (см.чертеж) поступают на вход газо-газового теплообменника, последовательно проходя секции 2, 3 и 4, затем на вход контактного теплообменника 1, где, проходя через насадку 6, омываемую оборотной водой, охлаждаются ниже точки росы, отдавая явное и скрытое тепло, а также часть пыли, оксидов азота и серы оборотной воде. Далее охлажденные и влажные газы освобождаются от большей части унесенной потоком жидкой воды в каплеуловителе 7, нагреваются и подсушиваются, по меньшей мере, в одной секции газо-газового теплообменника, дымососом 8 направляются в трубу 9 и выбрасываются в атмосферу. Одновременно нагретая оборотная вода из поддона контактного теплообменника насосом 10 подается в водо-водяной теплообменник 11, где нагревает холодную воду из трубопровода 12. Нагретая в теплообменнике 11 вода по трубопроводу 13 поступает на нужды технологического и бытового горячего водоснабжения или в низкотемпературный отопительный контур (доведение до необходимой температуры производится известными способами - на схеме не показано). Далее оборотная вода поступает в водо-воздушный теплообменник 14, нагревает, по меньшей мере, часть дутьевого воздуха, поступающего из-за пределов помещения по воздуховоду 15, охлаждаясь до минимально возможной температуры, и поступает в контактный теплообменник 1 через водораспределитель 16, где отбирает тепло от газов, попутно промывая их от взвешенных частиц, и поглощает часть оксидов азота и серы. Нагретый воздух из теплообменника 14 дутьевым вентилятором 17 подается в штатный воздухоподогреватель или непосредственно в топку. Оборотная вода по необходимости фильтруется и обрабатывается известными способами (фильтр, деаэратор, декарбонизатор, блок нейтрализации кислот и т.п. на схеме не показаны).

Поддержание минимально возможной температуры оборотной воды на входе в контактный теплообменник для глубокого охлаждения уходящих газов и защита от замерзания теплообменника 14 осуществляются следующим образом. При снижении температуры оборотной воды, определяемой, по меньшей мере, одним температурным датчиком 18 в хвостовой части теплообменника 14, ниже предустановленной минимальной величины, блок управления посылает сигнал приводу клапана-регулятора 19 на уменьшение угла открытия и, как следствие, пропускной способности; клапан-регулятор 20 обводного канала в противофазе увеличивает угол открытия и пропускную способность; водяной эквивалент воздуха в теплообменнике 14 уменьшается, температурный напор увеличивается, как следствие, температура оборотной воды на выходе из теплообменника 14 растет и превышает предустановленную минимальную величину. Если через заданный промежуток времени температура не достигла предустановленной минимальной величины, управляющий сигнал повторяется. При повышении температуры оборотной воды, определяемой, по меньшей мере, одним температурным датчиком 18 в хвостовой части теплообменника 14, выше предустановленной максимальной величины, блок управления посылает сигнал приводу клапана-регулятора 19 на увеличение угла открытия и, как следствие, пропускной способности; клапан-регулятор 20 обводного канала в противофазе уменьшает угол открытия и пропускную способность; водяной эквивалент воздуха в теплообменнике 14 увеличивается, температурный напор уменьшается, как следствие, температура оборотной воды на выходе из теплообменника 14 снижается и не превышает предустановленную максимальную величину. Если через заданный промежуток времени температура не достигла предустановленной максимальной величины, управляющий сигнал повторяется.

Снижение относительной влажности охлажденных газов и создание температурного резерва перед их выбросом наиболее экономично производить путем подогрева в рекуперативном теплообменнике, что значительно эффективнее подмешивания сухого воздуха (за исключением особо малых установок) и тем более байпассирования уходящих газов. Схема подогрева и осушения газов после контактного теплообменника 1 организована из соображений приоритета предотвращения охлаждения греющего газа ниже температуры кислотных и водяной точек росы в газо-газовом теплообменнике. Для этого через газо-газовый теплообменник прямотоком пропускается весь объем греющего газа, максимум водяного эквивалента которого обеспечивает минимум снижения температуры. Весь объем забалластированного каплями воды нагреваемого газа проходит через первую секцию газо-газового теплообменника, где капли в основном испаряются при контакте с горячей теплообменной поверхностью (площадь поверхности выбирается из соображений не превышения минимально возможного температурного резерва). Далее поток нагреваемого газа разделяется на две ветви, одна идет через оставшиеся секции газо-газового теплообменника (количество секций и площадь теплообменных поверхностей определяются при конкретном проектировании), другая по обводному каналу. Температура смеси определяется соотношением долей.

Температура уходящих газов должна лежать в диапазоне, удовлетворяющем условиям минимизации теплосодержания выбросов и отсутствия конденсации на протяжении всего газового тракта вплоть до устья дымовой трубы. Для этого осуществляется регулирование температуры поверхности устья трубы (минимальной из температур на протяжении всего газового тракта вследствие последовательного охлаждения) таким образом, чтобы она была выше температуры газов, выходящих из контактного теплообменника 1 (практически равной температуре точки росы вследствие насыщения водяными парами) на величину температурного запаса. Температурный запас должен быть не менее суммы следующих величин: роста температуры точки росы газов, определяемого максимально возможным ростом влагосодержания за счет воды брызгоуноса; максимально возможной разности температур по сечению газового тракта; максимальной погрешности измерительных приборов. Для управления процессом достаточно только значений температур по причине того, что при неизменном газовом составе и абсолютном влагосодержании газов на участке от каплеуловителя до устья трубы точка росы зависит только от температуры.

Регулирование температуры газов, выходящих из устья дымовой трубы и зависимой от нее температуры поверхности устья трубы, осуществляется следующим образом. При снижении температуры поверхности устья трубы, определяемой, по меньшей мере, одним температурным датчиком 21 на поверхности устья трубы, ниже величины, равной сумме температуры газов на выходе из контактного теплообменника 1, определяемой, по меньшей мере, одним температурным датчиком 22, и величины температурного запаса, блок управления посылает сигнал приводу клапана-регулятора 23 на увеличение угла открытия и, как следствие, пропускной способности; клапан-регулятор 24 обводного канала в противофазе уменьшает угол открытия и пропускную способность; увеличивается доля нагреваемых газов, проходящих через дополнительные секции газо-газового теплообменника, и общая температура газов после смешивания возрастает. Если через заданный промежуток времени температура не достигла необходимой величины, управляющий сигнал повторяется. При увеличении температуры поверхности устья трубы, определяемой, по меньшей мере, одним температурным датчиком 21 на поверхности устья трубы, выше величины, равной сумме температуры газов на выходе из контактного теплообменника 1, определяемой, по меньшей мере, одним температурным датчиком 22, величины температурного запаса и предустановленной величины, блок управления посылает сигнал приводу клапана-регулятора 23 на уменьшение угла открытия и, как следствие, пропускной способности; клапан-регулятор 24 обводного канала в противофазе увеличивает угол открытия и пропускную способность; уменьшается доля нагреваемых газов, проходящих через дополнительные секции газо-газового теплообменника, и общая температура газов после смешивания снижается. Если через заданный промежуток времени температура не упала ниже контрольной величины, управляющий сигнал повторяется. Это означает, что независимо от внешних условий, нагрузки и конструкции газового тракта и трубы газы не достигнут насыщенного состояния и конденсации не произойдет; при этом степень утилизации тепла уходящих газов будет максимальна для любого режима работы оборудования.

Водо-воздушный теплообменник 14 может быть как рекуперативным, так и контактным, если марка топлива, оборудование и режим сжигания допускают высокую влажность дутьевого воздуха. В последнем случае теплоутилизатор в режиме малого разбора горячей воды работает в более благоприятном режиме - водяной эквивалент влажного воздуха значительно выше сухого за счет теплоты фазового перехода и воздух способен отобрать больше тепловой энергии у продуктов сгорания, увеличивая глубину теплоутилизации. В дополнение уменьшается выброс оксидов азота и улучшаются массогабаритные характеристики теплообменника, т.к. коэффициент «мокрой» теплоотдачи больше, чем «сухой», отношение площади теплообменной поверхности к объему у контактного теплообменника выше, к тому же материал насадки, как правило, дешевле материалов поверхностного теплообменника.

Теплоутилизатор применяется как приставка к существующему топливоиспользующему оборудованию, что позволяет в случае необходимости отключить его и работать в обычном режиме без утилизации тепла, а также как составная часть вновь проектируемого оборудования. Применение приставки, например, к существующим котлам позволяет получить помимо экологического и прямого энергетического эффекта еще и косвенный - регенеративное теплоиспользование (часть утилизированного тепла возвращается в котел в виде подогретого воздуха и воды, идущей на подпитку и ГВС) повышает среднюю температуру горения, что снижает недожог топлива и отложение сажи на теплообменных поверхностях. Вновь устанавливаемое топливоиспользующее оборудование может использовать уже существующие трубы и дутьевые вентиляторы, т.к. у них появляется запас пропускной способности из-за снижения объемов охлажденных и лишенных части водяных паров уходящих газов.

Изобретение относится к области энергосбережения и может быть использовано в теплоэнергетике, металлургии, химической и других отраслях промышленности с топливоиспользующим оборудованием для глубокой утилизации тепла и мокрой очистки уходящих газов путем охлаждения в контактном теплообменнике до минимально допустимой температуры. Теплоутилизатор включает контактный теплообменник, каплеуловитель, газо-газовый теплообменник, газоходы, трубопроводы и насос, причем греющий газ через газо-газовый теплообменник пропускается прямотоком, а нагреваемый частично идет через обводной канал, что предотвращает охлаждение греющего газа ниже температуры конденсации паров воды в газовом тракте; по ходу оборотной воды контактного теплообменника последовательно расположены водо-водяной теплообменник и водо-воздушный теплообменник с обводным каналом по ходу воздуха. По показаниям датчиков температуры при помощи клапанов-регуляторов производится перераспределение потоков воздуха через водо-воздушный теплообменник и обводной канал и перераспределение потоков нагреваемого газа через газо-газовый теплообменник и обводной канал. Такое выполнение теплоутилизатора позволит повысить энергетическую эффективность теплоиспользующего оборудования. 2 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Теплоутилизатор, включающий контактный теплообменник, каплеуловитель, газо-газовый теплообменник, газоходы, трубопроводы и насос, отличающийся тем, что греющий газ через газо-газовый теплообменник пропускается прямотоком, а нагреваемый частично идет через обводной канал, по ходу оборотной воды контактного теплообменника последовательно расположены водо-водяной теплообменник и водовоздушный теплообменник с обводным каналом по ходу воздуха.2. Теплоутилизатор по п.1, отличающийся тем, что по показаниям датчиков температуры в водовоздушном теплообменнике при помощи клапанов-регуляторов производится перераспределение потоков воздуха через водовоздушный теплообменник и обводной канал с целью поддержания минимально допустимой температуры оборотной воды на выходе из водовоздушного теплообменника.3. Теплоутилизатор по п.1, отличающийся тем, что по показаниям датчиков температуры на выходе из контактного теплообменника и на поверхности устья дымовой трубы при помощи клапанов-регуляторов производится перераспределение потоков нагреваемого газа через газогазовый теплообменник и обводной канал с целью поддержания минимально допустимой температуры уходящего из дымовой трубы газа.