Повышение эффективности источников теплоснабжения на основе утилизации теплоты уходящих газов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Михин Антон Александрович

• Михин Антон Александрович
• кандидат наук
• 2023

Оглавление диссертации кандидат наук Михин Антон Александрович

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Актуальность разработки технологии глубокой утилизации теплоты дымовых газов

1.2 Обзор современных и перспективных методов повышения эффективности источников теплоснабжения

1.3 Постановка задачи

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

2.1 Описание расчетной модели теплогенератора с охлаждением уходящих газов

2.2 Методология расчетной модели

2.3 Моделирование процесса для отопительного периода

2.4 Описание источника теплоснабжения

2.5 Сводные результаты вычислительных экспериментов

2.6 Выводы по главе

3. РАЗРАБОТКА ПРИНЦИПИАЛЬНЫХ ТЕХНИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ПО ИСПОЛЬЗОВАНИЮ ТЕПЛОТЫ УХОДЯЩИХ ГАЗОВ

3.1 Анализ влияния орошения исходного воздуха на показатели уходящих газов

3.2 Выбор основного оборудования для реализации разрабатываемой установки

3.3 Моделирование конденсационной установки в среде Aspen Plus

3.4 Выводы по главе

4. РАСЧЕТ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ СХЕМЫ ГЛУБОКОЙ УТИЛИЗАЦИИ ТЕПЛА

4.1 Проведение Пинч-анализа и оптимизация режимных параметров

4.2 Экономическая модель процесса глубокой утилизации теплоты дымовых газов

4.3 Выводы по главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Приложение А

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы исследования

В настоящее время политика Российской Федерации в области энергосбережения определяется такими нормативными актами как Федеральный закон от 23 ноября 2009 г. N 261-ФЗ «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности, и о внесении изменений в отдельные законодательные акты Российской Федерации», Распоряжение Правительства РФ от 1 декабря 2009 г. № 1830-р «План мероприятий по энергосбережению и повышению энергетической эффективности в Российской Федерации, направленных на реализацию Федерального закона «Об энергосбережении и о повышении энергетической эффективности» и др. Глубокое охлаждение продуктов сгорания считается одним из наиболее перспективных методов энергосбережения на источниках теплоснабжения. К настоящему моменту в мире проведено немало исследований по разработке технологии использования низкопотенциальной теплоты уходящих газов котельных установок, в том числе теплоты конденсации водяных паров. В последнее время в технической литературе подобная технология получила название конденсерной, которая предполагает обязательное использование скрытой теплоты конденсации водяных паров в уходящих газах. Для осуществления этого процесса разработаны современные теплообменные аппараты, отличающиеся принципом действия, материалами, конструкцией, эффективностью и стоимостью.

Степень разработанности темы исследования

Вопросам эффективной утилизации теплоты уходящих газов посвящены работы ряда отечественных и зарубежных специалистов, среди которых: Кудинов А.А., Зиганшина С.К., Антонов В.А., Соснин Ю.П., Аронов И.З., Султангузин И.А., Доэрти П., Кьянг И., Уэбер С., Томпсон Д. и др. В то же время вопрос разработки методики для выбора наиболее эффективного и

гидравлически сбалансированного схемного решения для отдельно взятых котельных агрегатов является крайне актуальным и востребованным.

Положения, выносимые на защиту

В работе предложен эффективный способ использования природного газа при производстве тепловой энергии с применением технологии глубокой утилизации теплоты отходящих газов для котельного агрегата КВГМ-100. В ходе оригинальных исследований получены следующие результаты, выносимые на защиту:

• Наиболее эффективно потенциал дымовых газов может быть использован только низкотемпературным потребителем, которым может быть тепловой насос или абсорбционно-холодильная машина для дальнейшего изменения потенциала разных теплоносителей, системы приточной вентиляции (необходим будет повышенный расход теплоносителя), системы теплых полов, системы подогрева исходной воды перед водоподготовкой.

• При реконструкции наибольшую мощность имеют теплообменные поверхности, отвечающие за утилизацию дополнительной теплоты дымовых газов. В частности, тепловая мощность конденсационной части котельного агрегата КВГМ-100 составляет от 1,2 до 7,4 Гкал/ч и варьируется в зависимости от тепловой нагрузки всего котельного агрегата.

• Увлажнение исходного воздуха практически не влияет на величину снимаемой теплоты при утилизации в охладителе дымовых газов, но значительно повышает значение теплоты, снимаемой в конденсаторе.

• Повышение степени увлажнения за счет расхода орошаемой воды значительно увеличивает нагрузку на воздухоподогреватель (электроэнергия на привод насоса, восполнение уноса воды и пр.).

• Для котельного агрегата КВГМ-100 тепловая мощность сетевого подогревателя составляет 99,51 Гкал/ч, подогревателя сырой воды - 5,89 Гкал/ч, подогревателя воздуха - 3,02 Гкал/ч, утилизатора теплоты дымовых газов - 1,60 Гкал/ч, конденсатора - 7,38 Гкал/ч.

• Применение пинч-анализа позволяют оценить расход воды (115,5 т/ч, 65,5 т/ч, 187,9 т/ч) в каждом из контуров и теплообменных аппаратов математической модели. Эти данные полезны для проведения перспективных гидравлических расчетов при проектировании подобных установок.

Цель работы заключается в разработке наиболее эффективного способа использования природного газа при производстве тепловой энергии с применением технологии глубокой утилизации теплоты отходящих газов.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности источников теплоснабжения на основе утилизации теплоты уходящих газов»

Задачи работы

• Изучение существующих способов повышения эффективности источников теплоснабжения.

• Определение потенциала использования энергии уходящих газов;

• Анализ современных и перспективных методов использования низкопотенциальной энергии в системах теплоснабжения.

• Рассмотрение проблем утилизации уходящих газов органического топлива.

• Определение приоритетного способа использования низкопотенциальной теплоты уходящих газов в конкретных условиях.

• Расчет качественного и количественного состава уходящих газов, получаемых при сжигании органического топлива.

• Разработка технических решений и реализации разработанной технологии в разных вариантах. Выбор приоритетной схемы.

• Выбор основного оборудования для реализации разрабатываемой установки.

• Построение энергетического и материального баланса.

• Проведение Пинч-анализа и оптимизация режимных параметров.

• Оценка экологического влияния источника теплоснабжения после внедрения предлагаемой схемы.

• Разработка экономической модели процесса глубокой утилизации теплоты дымовых газов.

• Расчет капиталовложений и сроков окупаемости перспективной установки.

Научная новизна

1. Предложена оригинальная методика расчета теплотехнических характеристик котельного агрегата и эффективности внедрения технологии глубокой утилизации теплоты дымовых газов.

2. Разработаны принципиальные схемы установок конденсации дымовых газов с применением воздухонагревателя, подогревателя исходной (подпиточной) воды.

3. На основании пинч-анализа получены приоритетные теплогидравлические характеристики системы глубокой утилизации теплоты дымовых газов для котельного агрегата КВГМ-100.

Теоретическая и практическая значимость

В работе решены следующие аналитические задачи:

1. Анализ реализованных технических и технологических решений на источнике теплоснабжения с разработкой рекомендаций по совершенствованию существующей технологической схемы источника теплоснабжения и тепловых сетей с учетом реализации конденсерной технологии.

2. Проведение расчетных исследований на предмет совместной работы котла с подключенной конденсерной установкой.

3. Разработка экономической модели, определяющей параметры экономической эффективности и срока окупаемости для каждого варианта исполнения установки.

4. По результатам исследования предложены варианты технологии глубокой утилизации теплоты уходящих дымовых газов и технические решения по внедрению их котельной.

5. Исходя из полученных результатов экономического анализа, можно сделать вывод, что к практической реализации следует рекомендовать вариант с конденсером без увлажнения воздуха.

6. Однако, следует иметь в виду, что увлажнение воздуха позволяет снизить выбросы вредных веществ в атмосферу, тем самым улучшается экологическая обстановка в районе котельной. При выборе окончательного варианта следует учитывать все сопутствующие факторы.

7. Все варианты рассчитаны из условия подключения одной утилизационной установки к двум котлам, причем каждый подключенный котел может работать в паре с другими котлами, не подключенными к утилизационной установке. Таким образом, обеспечивается практически круглогодичная работа котельной с утилизацией теплоты дымовых газов.

Методология и методы исследования включают применение положительно зарекомендовавших себя методик расчетов физико-химических процессов теплообмена, материальных и энергетических балансов генерирующих и теплообменных установок.

Степень достоверности обусловлена применением современных прикладных программных продуктов, режимных карт котельных агрегатов и достоверных справочных данных, а также сравнением полученных результатов с данными российских и зарубежных литературных источников.

Личное участие

Основные результаты получены лично автором под руководством д.т.н., профессора Сергеева В.В.

Обоснование соответствия диссертации паспорту научной специальности «2.4.6 - Теоретическая и прикладная теплотехника»

Пункт 1 научной новизны соответствуют пункту 5 паспорта специальности - «Научные основы и методы интенсификации процессов тепло- и массообмена и тепловой защиты. Процессы тепло- и массообмена в оборудовании, предназначенном для производства, преобразования, передачи и потребления теплоты.», пункт 2 научной новизны соответствует пункту 7 паспорта - «Оптимизация схем теплоэнергетических установок и систем для генерации и трансформации энергоносителей, в том числе, основанных на принципах их комбинированного производства. Совершенствование методов расчета тепловых сетей и систем теплопотребления с целью повышения их энергоэффективности», пункт 3 научной новизны соответствует пункту 9 паспорта - «Системы обеспечения теплового режима теплоэнергетических, промышленных и коммунальных объектов, теплопотребляющего и тепловыделяющего оборудования, методы их совершенствования. Математическое моделирование и оптимизация энерготехнологических систем промышленных предприятий и систем теплоснабжения зданий, районов и городов».

Апробация работы

Основные положения работы, результаты теоретических и расчетных исследований докладывались на:

- Двадцать седьмой международной научно-технической конференции студентов и аспирантов (2021 г., Москва, НИУ МЭИ).

- Пятнадцатой всероссийской (седьмой международной) научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2020» (2020 г., Иваново, ИГЭУ).

Публикации

Основное содержание выполненных исследований опубликовано в 2 статьях в рецензируемых журналах, входящих в перечень ВАК и в 2 статьях в рецензируемых журналах, входящих в перечень Scopus.

Структура и объем работы

Диссертация изложена на 127 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения. Работа содержит 48 рисунков и 7 таблиц, список использованных источников содержит 104 наименования.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

1.1 Актуальность разработки технологии глубокой утилизации теплоты дымовых газов

Согласно различным литературным данным, опыт эксплуатации котельных на природном газе показывает, что потери тепловой энергии с уходящими газами даже для современных котлов может составлять 10 - 15 % [2, 9, 13]. Основной причиной данной ситуации является крайне высокая температура уходящих газов, которая может составлять у водогрейных котлов 150-200 °С [1, 11]. Рассматриваемая проблема зачастую решается внедрением в схему котельного агрегата конденсационных теплоутилизаторов контактного и поверхностного типов, позволяющих охлаждать уходящие газы ниже точки росы и дополнительно использовать скрытую теплоту конденсации [3, 4, 42, 43]. Как известно, глубокое охлаждение продуктов сгорания (ниже точки росы) в конденсационных теплоутилизаторах позволяет повысить коэффициент использования топлива на 1 % при соответствующем снижении температуры уходящих газов на 2-4 °С [9, 44, 45]. Кроме того, теоретически и экспериментально обосновано, что при использовании конденсационных теплоутилизаторов наряду с охлаждением продуктов сгорания происходит снижение концентрации оксидов азота в уходящих газах, что в свою очередь благоприятно сказывается на экологической ситуации района расположения котельной [5 - 8].

С 1970-х годов конденсационные котлы начали активно внедряться в большинстве стран западной Европы и США [46 - 48, 60]. Конденсационный котел является очень конкурентоспособной технологией в Европе из-за более высоких цен на энергоносители и наличия рыночного спроса на энергетически эффективные агрегаты [61 - 64]. На рисунке 1.1 показана статистика продаж подобных котлов с начала возникновения данной отрасти и до конца прошлого века.

Рисунок 1.1 - Доля продаж конденсационных котлов на рынке теплогенераторов в западной Европе [48]

По оценкам различных специалистов, около 10 % от общего потребления энергии для отопления жилых помещений и 4 % соответствующих выбросов могут быть сэкономлены при повсеместном внедрении конденсационных котлов вместо существующих агрегатов [10, 11].

Особенностью процессов глубокого охлаждения продуктов сгорания является изменение их количества вследствие конденсации части водяных паров. Характер изменения влагосодержания уходящих продуктов сгорания зависит от соотношения температуры уходящих из теплоутилизатора газов tyx и tp. Если температура уходящих из теплоутилизатора газов Гух будет равна температуре их точки росы (ГУх = 1р), то влагосодержания продуктов сгорания до и после теплоутилизатора будут примерно одинаковы (ё'ух = ё"ух). Если при использовании контактного теплоутилизатора превышает то в этом случае происходит повышение влагосодержания уходящих продуктов сгорания (ё'ух < ё"ух), так как после контактного теплоутилизатора газы независимо от температуры близки к полному насыщению водяными парами. Таким образом, на количество выделяющегося конденсата сильно влияет

влагосодержание уходящих дымовых газов перед теплоутилизатором и температура уходящих газов на выходе из теплоутилизатора.

В приведенном примере дана приблизительная оценка эффективности, так как она не учитывает потери тепла в окружающую среду кон за счет охлаждения дополнительного оборудования окружающим воздухом (которые незначительны), увеличение потерь на собственные нужды (на привод насосов и тягодутьевого оборудования) и возможную неполную конденсацию водяных паров. Реальный эффект должен учитывать большое количество других факторов: зависимость температуры уходящих дымовых газов от тепловой нагрузки котла, конструктивные особенности конденсера и др., поэтому он будет несколько ниже полученного значения.

Конденсационные котлы чаще всего работают под избыточным давлением и с принудительной тягой [13 - 18]. Такие котлы имеют тракт из нержавеющей стали или других антикоррозийных материалов [19, 22, 23]. Конденсационные котлы работают с высокой эффективностью даже в условиях частичной нагрузки, когда температура обратной сетевой воды от оборудования для обогрева помещения низкая. Развитие технологии конденсации водяных паров из уходящих газов открывает большие возможности для снижения потребления газа в многоквартирных домах, а также офисных зданиях. Для конденсационных котлов коэффициент использования топлив может достигать теоретического значения более 110% при отнесении на рабочую низшую теплоту сгорания топлива (рисунок 1.2).

40 60 80 100 120 140 Температура уходящих газов, С

Рисунок 1.2 - Расчетный коэффициент использования топлива (КИТ) в

конденсационном котле [48]

Поскольку продукты сгорания включают в себя материалы, обладающие высокой коррозионной активностью, коррозия, возникающая в результате конденсации газов, была проблемой в промышленности на протяжении многих лет применения подобных агрегатов [24, 30, 34, 35]. Трещины, вызванные коррозией, были в основном обнаружены в низкотемпературных теплообменниках (обычно работающих при температуре от 70 до 90 ° С). Как правило, теплообменники были изготовлены из стандартной низкоуглеродистой стали. Большая часть трещин произошла там, где механические напряжения были относительно высокими. Микроскопический анализ образцов показал, что зачастую происходила межкристаллитная коррозия.

Во избежание коррозии из-за конденсации газов, очень важно хорошо понимать состав и количество конденсированной жидкости, которая может образоваться в конденсационных котлах. Методы расчета процесса конденсации интенсивно совершенствовались в течение последних нескольких десятилетий [39, 79, 80]. Для чистого воздуха точку росы можно получить непосредственно из справочных данных для водяного пара. Но когда

в газе присутствуют другие частицы, такие как SO3, SO2, HCl или NO2, точка росы будет отклоняться от идеальной линии точки росы. При атмосферном давлении, точка росы дымовых газов в присутствии этих компонентов может быть пересчитана с помощью уравнений, характерных для разных веществ (рисунок 1.3).

Вид Температура точки росы Давл.

so л 1000 атм

2.276 - 0.0294 Iii Pl!!} -0.0858 In Рщ + 0.0062 In (f) xPTOi)

so2 1000 мм рт. ст.

3.9526-0.1863 In PHiQ +0.000867 In - 0.00091 In (P!U0 x PSOj)

HCl 1000 мм рт. ст.

3.7368-0.1591 In Pu o - 0.0326In PHa + 0.00269In (PH D xPHa)

no2 IOOO мм рт. ст.

3.«4 0.1446 b -0.08271^*2 +0.00756In V%H>° 1 ^PpmNO, 100x760 760X106 100x760 760x10*'

Рисунок 1.3 - Пересчет точки росы в зависимости от парциального давления

различных компонентов уходящих газов

Чтобы противостоять агрессивным коррозионным условиям, конденсационные котлы в настоящее время изготавливаются из нержавеющей стали и других коррозионностойких материалов. При этом затраты на материалы иногда втрое превышают аналогичные затраты для обыкновенных котлов. Одним из типовых материалов, используемых для данных агрегатов, являются нержавеющие стали, которые характеризуются высоким содержанием хрома и молибдена. Кроме того, для изготовления конденсеров могут применяться современные полимерные и композитные материалы [98, 103, 104].

В настоящее время газовые конденсационные поверхностные отопительные котлы и экономайзеры весьма широко распространены в Китае, Нидерландах, Франции, Германии, Швейцарии, Великобритании, США,

Канаде, Италии [74 - 78, 94, 97]. Выпуском их занято большее число фирм Германии, Швейцарии, Нидерландах и США. В США начаты освоение и выпуск поверхностных конденсационных экономайзеров для паровых котлов. В Российской Федерации положительный опыт внедрения конденсационных теплоутилизаторов поверхностного типа получен институтом Сантехпроект (г. Нижний Новгород) и Ульяновским государственным техническим университетом, которые разработали установки утилизации теплоты уходящих газов паровых котлов типа ДЕ-10-14 ГМ при работе котельной на природном газе. Теплоутилизаторы выполнены на базе калориферов КСк-4-11 (№ 11) Костромского калориферного завода, смонтированы на всасывающей стороне дымососа.

Установка одной секции калорифера позволяет повысить производительность котла ДЕ-10-14 ГМ на 7-8 %. Температура газов на входе в экономайзер составляла 120-134 °С, параметры нагреваемой воды 5-22 °С. Дополнительное аэродинамическое сопротивление, создаваемое теплоутилизатором, преодолевается за счет уменьшения объема продуктов сгорания без замены дымососа. При испытаниях теплоутилизаторов проводился анализ выделяющегося конденсата. Установлено, что конденсат продуктов сгорания природного газа лишен взвешенных веществ карбонатной жесткости и имеет сухой остаток менее 5 мг/л. Он практически является бессолевой водой, и в этом смысле превосходит воду, умягченную в водоподготовительных установках промышленных котельных. Выделяющийся в теплоутилизаторах конденсат при контакте с продуктами сгорания природного газа поглощает кислород и углекислый газ и после дегазации вполне может быть использован для питания котлов низкого давления. Установка позволяет значительно увеличить производство собственного конденсата и работать без химводоочистки для подпитки системы теплоснабжения. Дополнительным эффектом является сниженный в несколько раз выброс из дымовой трубы в атмосферу оксидов азота.

Особое внимание следует уделить результатам испытания технологии глубокой утилизации, внедренной в ТЦ «1таП:а», г. Рига на водогрейном котле КВГМ-100 [9]. Котел КВГМ-100 был оборудован пассивным конденсационным экономайзером типа 4x200-36-200. После достижения определенной мощности КПД может понизиться почти на 2% при максимальной нагрузке. Работа котла в режиме максимальной нагрузки увеличивает риск останова в случае перебоев с электроснабжением. Данные свидетельствуют, что котел стабильно работает при 75% установленной мощности, таким образом, наиболее рациональная базовая нагрузка котла составляет 90 МВт, что было подтверждено опытным путем, начиная с момента пуска экономайзера в работу 1 ноября 2009 г. и до 2 февраля 2010 г. Утилизируемая теплота используется для нагрева сетевой воды, подаваемой на нужды отопления и вентиляции.

По результатам испытания отмечено, что при низких температурах наружного воздуха количество утилизируемой теплоты снижается. Причиной является более высокая температура обратной сетевой воды. Оптимальная температура обратной воды поддерживалась на уровне 38-40 °С, что примерно на 17 % ниже принятого температурного графика. При температурах наружного воздуха ниже -10 °С количество выделившегося конденсата меньше на 70%, чем при среднестатистических температурах отопительного сезона, но при этом с гораздо большим удельным содержанием абсорбированного СО2. Испытания показали, что при особо низких температурах наружного воздуха, работая с неизменной тепловой нагрузкой, периодически наблюдается низкая теплоотдача. Так, при температуре наружного воздуха -20 °С количество выделившегося конденсата составило всего 0,5 т/ч по сравнению с 5,9 т/ч при температуре 0 °С. Несмотря на неблагоприятные погодные условия, была достигнута значительная экономия природного газа, которая суммарно составила 1,685 млн м3, выбросы СО2 сократились на 3084 т.

1.2 Обзор современных и перспективных методов повышения эффективности источников теплоснабжения

Теплота уходящих дымовых газов может быть использована для нагрева дутьевого воздуха, поступающего на горение, или для нагрева воды (обратной сетевой, на нужды горячего водоснабжения или для других целей). Конструктивно эти способы оформлены в виде воздухоподогревателей и экономайзеров, располагающихся за котлом по ходу движения дымовых газов [35 - 38]. Основными способами глубокой утилизации теплоты уходящих дымовых газов с возможностью конденсации водяных паров остаются два: контактный, при котором дымовые газы охлаждаются орошаемой водой при их соприкосновении и поверхностный, при котором охлаждаемые газы и нагреваемый теплоноситель разделены теплообменной поверхностью [39, 40].

По конструктивным особенностям контактные теплоутилизаторы, применяемые для охлаждения уходящих газов, делятся на три основные группы: насадочные, полые и с активной насадкой (типа КТАН). Наибольшее распространение на практике получили теплообменники с теплообменной насадкой, в которых уходящие газы нагревают воду, стекающую по насадке. Чаще всего в качестве насадки используются керамические кольца Рашига различного диаметра, а движение теплоносителей организовано противотоком. Общими преимуществами таких теплоутилизаторов, отмечаемыми всеми исследователями, являются простота изготовления и высокая тепловая эффективность [47 - 50].

Однако, контактный способ охлаждения уходящих газов имеет ряд существенных недостатков, сдерживающих его широкое применение. К ним можно отнести:

1) возможность нагревания воды только до температуры мокрого термометра, примерно равной температуре кипения воды при парциальном давлении паров в дымовых газах;

2) высокое аэродинамическое сопротивление (300...1700 Па);

3) существенную зависимость аэродинамического сопротивления от плотности орошения, что усложняет эксплуатацию этих теплообменных аппаратов при работе в переменных режимах;

4) небольшую предельную скорость движения газов (1.2,5 м/с), обусловливающую увеличение габаритов;

5) высокую вероятность влагоуноса, усложняющую эксплуатацию газоходов, дымососов и дымовых труб.

Часть недостатков устранена в полых контактных теплообменниках (отсутствие насадки и, соответственно, низкое аэродинамическое сопротивление, более высокие скорости движения газов). Однако, главным недостатком является низкая тепловая эффективность из-за малого времени контакта газов с нагреваемой водой. Практического применения подобные теплоутилизаторы в тепловых схемах котельных не получили.

Разновидностью контактных теплоутилизаторов является контактный теплообменник с активной насадкой (КТАН), который относится к аппаратам рекуперативно-смесительного типа. Основное отличие КТАНа от обычного теплообменника с насадкой заключается в том, что исходная вода подогревается уходящими газами в пучке труб диаметром 20.30 мм, который орошается циркулирующей водой. Этот пучок труб получил название активной насадки, так как поток орошающей воды используется для интенсификации передачи теплоты от газов чистому потоку воды, протекающему внутри трубок. Тепловая эффективность таких аппаратов зависит от интенсивности процессов тепло- и массообмена между газом и орошающей жидкостью, а также от интенсивности процесса теплообмена между орошающей жидкостью и жидкостью, проходящей в трубном пучке [51- 54, 58, 59].

К преимуществам КТАНов, по сравнению с другими контактными теплообменниками, можно отнести:

1) повышение скорости движения газов (до 6.10 м/с);

2) относительно низкое аэродинамическое сопротивление (300.700

3) отсутствие контакта газов с нагреваемой водой, что снимает ограничения по ее качеству.

Вместе с тем КТАНы имеют следующие недостатки:

1) не обеспечивают нагревание жидкости до температуры выше температуры мокрого термометра;

2) холодная вода, орошающая змеевик, в верхней зоне охлаждает нагреваемую воду;

3) уступают теплообменникам с насадкой по коэффициенту использования тепла уходящих газов;

4) имеется вероятность уноса влаги дымовыми газами.

Схема типовой установки для утилизации теплоты уходящих дымовых газов представлена на рисунке 1.4 Основным элементом установки является конденсационный теплоутилизатор, в качестве которого может применяться теплообменник любого типа: поверхностный, контактный или контактно-поверхностный. Дымовые газы после выхода из котла последовательно проходят стадию очистки (при необходимости), конденсационный теплоутилизатор, каплеуловитель и затем дымососом удаляются в атмосферу через дымовую трубу. Байпасная линия позволяет пропускать газы мимо теплообменника, что позволяет путем регулирования обеспечивать необходимую температуру и влагосодержание уходящих газов. Конденсат после сборника направляется в систему очистки (в основном для нейтрализации растворенных газообразных примесей), после чего он может быть полезно использован.

Рисунок 1.4 - Схема типовой установки для утилизации теплоты

дымовых газов

В качестве нагреваемого теплоносителя может быть использована холодная вода с температурой ниже точки росы уходящих газов. Это может быть исходная вода, приготовляемая для подпитки тепловых сетей или подаваемая в систему горячего водоснабжения. Нагрев обратной сетевой воды перед подачей в котел не даст большого эффекта, так как ее температура в течение отопительного периода остается достаточно высокой и превышающей точку росы дымовых газов.

Для обеспечения нагрева сетевой воды предложена схема утилизации с двумя ступенями нагрева (рисунок 1.5).

Рисунок 1.5 - Схема утилизации теплоты дымовых газов с двумя ступенями нагрева: 1 - котел; 2, 3 - секции нагрева сетевой и подпиточной воды; 4 - байпасный газоход; 5 - деаэратор; 6 - химводоочистка; 7 - система отопления; 8 - дымосос; 9 - дымовая труба

В схеме используется двухсекционный теплоутизатор: в первой по ходу газов секции осуществляется нагрев сетевой воды за счет использования теплоты уходящих газов без конденсации содержащихся в них водяных паров; во второй секции утилизируется теплота конденсации водяных паров для подогрева холодной подпиточной воды [60 - 64].

Вариант только с конденсором является наиболее простым и дешевым. Принципиальная схема установки по этому варианту представлена на рисунке 1.6.

(а)

(Ь)

Рисунок 1.6 - Принципиальная схема установки по варианту «конденсер»: 1 - предварительный охладитель; 2 - рассекатель; 3 -раздающее устройство; 4 - теплообменник; 5 - накопительный бак; 6 -

жалюзийный сепаратор

Дымовые газы после котла поступают в предварительный охладитель, где происходит быстрое снижение их температуры за счет орошения водой, циркулирующей в охладителе. Основной элемент установки, где происходит конденсация водяных паров, представляет собой оросительную колонну, в которой по ходу движения газов последовательно установлены рассекатель, форсунки подачи нагреваемой воды контура утилизации, жалюзийный сепаратор. Интенсификация процессов охлаждения продуктов сгорания и конденсации содержащихся в них водяных паров достигается разбиением подаваемой сверху воды на мелкие капли в рассекателе, чем достигается максимальная поверхность контакта [66, 67, 70 - 73].

Подогретая таким образом вода служит промежуточным теплоносителем между дымовыми газами и сетевой водой. Температура ее на входе в теплообменник должна быть выше температуры сетевой воды не менее, чем на 5 °С, однако фактическое ее значение ограничено температурой точки росы дымовых газов. В случае реализации данной схемы достаточно высокая эффективность установки будет достигаться, если температура обратной сетевой воды не превышает 45°С. При большей температуре доля водяных паров, которые будут конденсироваться, существенно снижается, что, в свою очередь, уменьшает эффективность рекуперации тепла [74 - 77].

Больший эффект достигается в схеме «конденсер и увлажнитель». Предварительное увлажнение воздуха, подаваемого на горение, обеспечивает следующие положительные моменты:

• за счет большего объема водяных паров в дымовых газах увеличивается температура точки росы, что позволяет получить повышенную температуру воды на выходе из конденсера;

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Михин Антон Александрович, 2023 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

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

2. Аронов И.З. Контактный нагрев продуктами сгорания природного газа.

- Л.: «Недра», 1990.

3. Ахметова И.Г., Михин А.А. Оценка экономической эффективности работы конденсационного утилизатора тепловой установки. Вестник Казанского государственного энергетического университета. 2020. Том 12. № 3 (47). С. 101 -102.

4. Баранов Е.П., Бухаркин Е.Н., Кушнирюк В.В. Опыт использования вторичных энергоресурсов в производственной котельной // Промышленная энергетика. 1988. №1. С. 21-22.

5. Богуславский Л.Д., Ливчак В.И. Энергосбережение в системах теплоснабжения, вентиляции и кондиционирования воздуха. М.: Стройиздат, 1990. 624 с.

6. Внутренние санитарно-технические устройства. В 3 ч. Ч.3. Вентиляция и кондиционирование воздуха. Кн.2. Под ред. Н.Н. Павлова и Ю.И. Шиллера. - 4-е изд., перераб. и доп. -М.: Стройиздат, 1992. (Справочник проектировщика).

7. Гладунцев А.И., Пустовалов Ю.В. Анализ опыта применения контактных водонагревателей на промышленных предприятииях Москвы // Промышленная энергетика. 1982. № 12. С. 5 - 8.

8. Гоголин А.А. Кондиционирование воздуха в мясной промышленности.

- М., «Пищевая промышленность», 1966.

9. Жигурс А., Церс А., Плискачев С. Опыт АО «Ригас Силтумс» в реконструкции водогрейных котлов КВГМ-50 и КВГМ-100 //Новости теплоснабжения. 2009, № 4. С. 34-39.

10. Загретдинова, А. Р. Экономическая эффективность применения схемы котельной с газовыми котлами конденсационного и традиционного типов / А. Р.

Загретдинова // Научному прогрессу - творчество молодых. - 2019. - №2 2. - С. 115117.

11. Карягин Н.П. Из опыта эксплуатации контактных экономайзеров // Промышленная энергетика. 1971. № 1. С. 34-35.

12. Конструирование и расчет элементов колонных аппаратов: учебное пособие / Виноградов О.С., Виноградов С.Н.- Пенза, 2003, 496 с.

13. Кудинов А.А., Антонов В.А., Алексеев Ю.Н. Анализ эффективности применения конденсационного теплоутилизатора за паровым котлом ДЕ-10-14 ГМ // Промышленная энергетика. 1997. № 8. С. 8-10.

14. 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.

15. Кудинов А.А. Энергоресурсосбережение в газифицированных котельных установках // Энергосбережение. Ульяновск: Изд-во «Пресса», 1998. Выпуск №3. С 83-84.

16. Кудинов А. А., Зиганшина С. К. Энергосбережение в теплоэнергетике и теплотехнологиях. М.: Машиностроение, 2011. - 374 с., ил. 117.

17. Кудинов А.А., Зиганшина С.К. Энергосбережение в теплоэнергетических установках. Самара: Самар. гос. техн. ун-т, 2007. 251 с.

18. Кулешов, М. И. Конденсационный водогрейный котел для автономных систем теплоснабжения жилых, общественных и промышленных объектов / М. И. Кулешов, А. В. Губарев, А. А. Погонин // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. - 2012. - № 2. - С. 171-173.

19. Кулешов, М. И. Конденсационный водогрейный котел для нужд отопления и горячего водоснабжения / М. И. Кулешов, В. П. Кожевников, А. В. Губарев // Наукоемкие технологии и инновации, Белгород, 09-10 октября 2014 года / Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. Том 5. - Белгород: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, 2014. - С. 181-189.

20. Михин А.А., Сергеев В.В. Моделирование конденсационной установки в среде ASPEN PLUS. Известия высших учебных заведений. Проблемы энергетики. 2019; 21(6):84-92.

21. Михин А.А., Сергеев В.В. Расчет энергетического баланса установки конденсации дымовых газов. Труды пятнадцатой всероссийской (седьмой международной) научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Энергия-2020» - Иваново: ФГБОУ ВО «Ивановский государственный энергетический университет имени В.И. Ленина», 2020, Том 1, с. 114.

22. Моисеев В. И., Пресич Г. А., Аронов И.З. и др. // Теплотехнические показатели контактного экономайзера с промежуточным теплообменником / Промышленная энергетика. 1983. № 8. С. 23-25.

23. Мочалова, Д. С. Конденсационные котлы в системах автономного теплоснабжения / Д. С. Мочалова // Студенческий. - 2020. - №2 13-1(99). - С. 22-23.

24. Мочалова, Д. С. Определение эффективности конденсационного котла / Д. С. Мочалова // Студенческий. - 2020. - № 17-1(103). - С. 14-17.

25. Наладка и эксплуатация водяных тепловых сетей: Справочник. В.И. Манюк, Я.И. Каплинский, Э.Б. Хиж и др.-3-е изд., перераб. и доп.-М.: Стройиздат, 1988.

26. Нестеренко А.В. Основы термодинамических расчетов вентиляции и кондиционирования воздуха. - М.: «Высшая школа», 1971.

27. Основные процессы и аппараты химической технологии: Пособие по проектированию: учебник для вузов / Г.С. Борисов, В.П. Брыков, Ю.И. Дытнерский и др.- М.: Химия, 1991, 496 с.

28. Равич М. Упрощенная методика теплотехнических расчётов. М.: Изд-во АН СССР, 1958.

29. Ревич Б.Е. Загрязнение окружающей среды и здоровье населения. - М.: Изд-во МНЭПУ, 2001. - 264 с.

30. Рациональное использование газа в энергетических установках / Р.Б. Ахмедов, О.Н. Брюханов, А.С. Иссерлин и др. Л.: Недра, 1990. 423 с.

31. Рекомендации для проектирования котельных и промышленных ТЭЦ с применением КТАН-ов - утилизаторов // Под ред. М. Рубиной, И. Ильина, П. Попова и др. Ин-т «Латгипропром», Ташкент, 1987, 187 с.

32. Рубина М.А., Ильин И.Н., Попов П.Я. и др. Об эффективности контактных теплообменников с активной насадкой // Промышленная энергетика. 1986, № 8.

33. Свиридов Н.Ф., Свиридов Р.Н., Ивуков И.Н., Терк Б.Л. // Установка утилизации тепла дымовых газов. ж. Энергосбережение, №4, 2002 г.

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

35. Султангузин И.А. Экологическая безопасность и энергетическая эффективность промышленных теплоэнергетических систем. - М.: Издательство МЭИ. - 2013. - 288 с.

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

37. Соснин Ю.П., Бухаркин Е.Н. Опыт эксплуатации котельных с газовыми контактными водонагревателями // Промышленная энергетика. 1980. №2. С. 23-25.

38. Тренин А.А. Преимущественные аспекты принципа работы конденсационных газовых котлов в сравнении с традиционными газовыми котлами / А. А. Тренин // Машиностроение и безопасность жизнедеятельности. - 2019. - № 2(40). - С. 64-68.

39. Фазлиахметов К.Ф., Федюхин А.В., Михин А.А. Моделирование утилизационной установки тепла в Aspen Plus. Труды двадцать седьмой Междунар. науч.-техн. конф. студентов и аспирантов (11-12 марта 2021 г., Москва): Тез. докл. — М.: ООО «Центр полиграфических услуг Радуга», с. 693.

40. Хаванов, П. А. Системы дымоудаления - ключевая проблема применения конденсационных котлов / П. А. Хаванов, А. С. Чуленев // АВОК: Вентиляция, отопление, кондиционирование воздуха, теплоснабжение и строительная теплофизика. - 2019. - № 8. - С. 58-61.

41. Хачалов М.А., Юркина М.Ю. Энергосбережение в теплогенерирующих установках за счет глубокого охлаждения продуктов сгорания в конденсационных теплоутилизаторах. Сб. трудов НИУ «МЭИ», г. Москва, 2007. С. 311-316.

42. Шадек Е.Г. Оценка эффективности глубокой утилизации тепла продуктов сгорания котлов электростанций https://www.abok.ru/for_spec/articles.php?nid=6365

43. Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Горшков В. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 2 (23).

44. Шадек Е., Маршак Б., Крыкин И., Горшков В. Конденсационный теплообменник-утилизатор - модернизация котельных установок // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ. 2014. № 3 (24).

45. Шицман С.Е., Юсупов Р.У., Чикунова Т.В. и др. // Опыт использования контактного подогревателя для промежуточного подогрева подпиточной воды теплосети / Теплоэнергетика. 1981. № 3. С. 24-26.

46. Burns, J.M., Tsou, J. Modular steam condenser replacements using corrosion resistant high-performance stainless-steel tubing. http: //www.plymouth.com/brochures. aspx

47. Butterworth, D. Steam Power Plant and Process Condensers. in Kakac ed. Boilers, Evaporators and Condensers. ISBN 0-471-62170-6. 1991.

48. CEE (US Consortium for Energy Efficiency). A Market Assessment for Condensing Boilers in Commercial Heating Applications, 2001, www.cee1.org

49. Che, D., Liu, Y., Gao, C. Evaluation of retrofitting a conventional natural gas fired boiler into a condensing boiler. Energy Conversion & Management. 2004, 45, 3251-3266.

50. Chisholm, D., Developments in heat exchanger technology - 1. Applied Science Publishers. 1980

51. Climate Solutions Thy & Mors, http://www.energymap.dk/Profiles/ClimateSolutions-Thy-Mors/Cases/Kraftvarmev%C3%A6rk-Thisted-(1), accessed in December 2009.

52. Comakli, K. Economic and environmental comparison of natural gas fired conventional and condensing combi boilers. Journal of the Energy Institute. 2008, 81, 242-246.

53. Couper, J.R. Process Engineering Economics, Marcel Dekker: New York. 2003 Department of Energy and Climate Change (DECC). Quarterly Energy Prices, March 2010.

54. Demirbas, A. Biohydrogen: For Future Engine Fuel Demands. Springer, ISBN 978-1-84882-510-9, 2009

55. Doherty, P.S.; Srivastava, N.; Riffat, S.B.; Tucker, R. Flue gas sorption heat recovery - experimental test and modelling results. Journal of the Energy Institute. 2006, 79, 2-11.

56. EPSRC thermal management of Industrial processes // Review of Industrial Condensing Boilers (Technology & Cost). 2010.

57. Fagersta Energetics: Condensing flue gas cooling - a question of temperature margins. 2009a

58. Fagersta Energetics: Heat recovery and flue gas cleaning with condensing flue gas coolers. 2009b

59. Fraas, A.P. Heat Exchanger Design, John Wiley & Sons, 1989.

60. Gotaverken Miljo AB, Flue gas treatment with integrated dioxin removal by ADIOX: The Hedenverket waste-to-energy plant at Karlstad, Sweden. 2004

61. Gotaverken Miljo AB. Extended energy recovery using flue gas ccondensation. ADIOX as dioxin police filter. 2007

62. Gotaverken Miljo AB. Flue gas cleaning and energy recovery at Umea, Sweden. 2001.

63. Gotaverken Miljo AB. Flue gas cleaning with energy recovery in Thisted, Denmark. 1991.

64. Gotaverken Miljo AB. Extended energy recovery using flue gas condensation with condensate treatment. 2007b.

65. Green, D.W., Perry, R.H. Perry's Chemical Engineers' Handbook. McGill-Hill, 2008.

66. Grohn, A., Suonmaa, V., Auvinen, A., Lehtinen, K.E.J., Jokiniemi, J. Reduction of fine particle emissions from wood combustion with optimized condensing heat exchangers. Environmental Science and Technology. 43, 6269 - 6274, 2009.

67. Hasan, A.; Kurnitski, J.; Jokiranta, K. A combined low temperature water heating system consisting of radiators and floor heating. Energy and Buildings. 2009, 41, 470-479.

68. Heat Pump Centre. http://www.heatpumpcentre.org/About_heat_pumps /HP_technology.asp, accessed in December 2009.

69. Huijbregts, W.M.M.; Leferink, R.G.I. Latest advances in the understanding of acid dewpoint corrosion: corrosion and stress corrosion cracking in combustion gas condensates. Anti-Corrosion Methods and Materials. 2004, 51, 173-188.

70. Ian C. Kemp. Pinch Analysis and Process Integration. A User Guide on Process Integration for the Efficient Use of Energy. 2nd Edition. Amsterdam: Elsevier, 2007 -313-351 PP.

71. Jialei Zhang, Zhaohao Li, Heng Zhang, Haiping Chen, Dan Gao, Numerical study on recovering moisture and heat from flue gas by means of a macroporous ceramic membrane module, Energy, Volume 207, 2020, 118230.

72. Kakac, S., Liu, H. Heat Exchangers: Selection, Rating, and Thermal Design, 2nded. CRC Press, 2002.

73. Karpov, D., Pavlov, M., Mukhametova, L., Mikhin, A.A. Features and results of assessment the thermal conductivity of building materials and products by the active method of thermal non-destructive testing. E3S Web of Conferences, 2020, 220, 01053.

74. Keeth, R., Lee, P., Peterson, S. Statues of Integrated Emission Control Process Development: Airborn and ReACT Process Technical Review. EPRI, Palo Alto, CA: 2005. 1010338

75. Kiang, Y.H. Predicting dew points of acid gases. Chemical Engineering. 1981, 127.

76. Kremer H. Erhöhung des Wikunsgrades von Heizungsanlagen durch Abkuhlung der Abgase unter Taupunkttemperatur // Gas, Warme Int. 1981. Bd. 30 (41). № 6. S. 300-304.

77. Kremer R. Breunwertkessel grosserer Leistung fur Energieeisnarung und Umweltschutz // Zs. Heizung, Luftung; Klimatechnik, Haustechnik. 1985. 36. № 1. S. 15-17.

78. Kuppan, T. Heat Exchanger Design Handbook. Marcel Dekker, New York,

2000.

79. Liehui Xiao, Minlin Yang, Yu Yang, Si-Min Huang, Zhonghe Han, Di Wu, Performance study of transport membrane condenser using condensate water to recover water and heat from flue gas, Journal of Cleaner Production, Volume 371, 2022, 133573.

80. Liehui Xiao, Minlin Yang, Wu-Zhi Yuan, Si-Min Huang, Macroporous ceramic membrane condenser for water and heat recovery from flue gas, Applied Thermal Engineering, Volume 186, 2021, 116512.

81. Maier, C., Calafut, T., Polypropylene: the definitive user's guide and databook, William Andrew, ISBN 9781884207587, 1998.

82. Marto, P.J. Heat Transfer in Condensation. in Kakac ed. Boilers, Evaporators and Condensers. ISBN 0-471-62170-6. 1991.

83. Nederhoff, E. A flue gas condenser for energy saving. Grower. 2003, 58 (2),

42-43.

84. Neuenschwander, P., Good, J., Nussbaumer, Th. Combustion efficiency in biomass furnaces with flue gas condensation. Biomass for Energy and Industry, 10th European Conference and Technology Exhibition, 1998.

85. OEPT. Sodra Nas Vimmerby Energi AB Biomass District Heating Plant, Sweden. 2004. http://www.vimmerby.se

86. Paappanen T, Leinonen A. Fuel Peat Industry in EU, Country Reports -Finland, Ireland, Sweden, Estonia, Latvia, Lithuania. 2005.

87. Pavlov, M., Karpov, D., Mikhin, A., Akhmetov, T. Study of the influence of various factors on the air temperature in the greenhouse with radiant heating. Lecture Notes in Civil Engineering, 2021, 141, P. 129-135.

88. Portralt L. M. Las calderas de condensacion // Clima y ambiente. 1985. №146. S. 55-60.

89. Rado L., Wiedemann K.-H., Scheibe D. Ausnutzung des Breunwertes bei gasbefeurten Warmeerzeugern // HLH. 1976. 27. № 7. S. 256-263.

90. Seamonds, D., Lowell, D., Balon, T., Leigh, R., Silverman, I. The bottom of the barrel: How the dirtiest heating oil pollutes our air and harms our health. Environmental Defense Fund and Urban Green Council, 2009.

91. Shah, R.K., Sekulic, D.P. Fundamentals of Heat Exchanger Design, John Wiley & Sons, 2003.

92. Shuaifei Zhao, Shuiping Yan, David K. Wang, Yibin Wei, Hong Qi, Tao Wu, Paul H.M. Feron, Simultaneous heat and water recovery from flue gas by membrane condensation: Experimental investigation, Applied Thermal Engineering, Volume 113, 2017, Pages 843-850.

93. Sippula, O., Hokkinen, J., Puustinen, H., Yli-Pirila, P., Jokiniemi, J. Particle emissions from small wood-fired district heating units. Energy & Fuels. 23, 2974 - 2982, 2009.

94. Spirax Sarco, The Steam and Condensate Loop Book. Spirax-Sarco, 2007.

95. Stadelmann M. Untersuchuhgen uber Gas - Kondensationkessel // Gas, Warme Int. 1983. 32. № 11. S. 459-464.

96. Sulliven R.E. The Timken Company's Canton plant utilizes a condensing heat exchanger to recover boiler stack heat to preheat makeup water // ASHRAE J. 1985. 27. № 3. P. 73-75.

97. Taborek, J. Practices of shell-and-tube heat exchanger design. in Schlunder, et al. ed. Heat Exchanger Design Handbook. Hemisphere, London, 1983.

98. Te Tu, Qiufang Cui, Feihong Liang, Liqiang Xu, Qingyao He, Shuiping Yan, Water recovery from stripping gas overhead CO2 desorber through air cooling enhanced by transport membrane condensation, Separation and Purification Technology, Volume 215, 2019, Pages 625-633.

99. TEMA. Standards of the Tubular Exchanger Manufactures Association.

2003.

100. Thompson D., Goldstick B. Condensation heat recovery application for industrial buildings // Energic Engineering. 1984. 81. № 2. P. 27-58.

101. US DOE, Considerations when selecting a condensing economizer,

2007.

102. Weber, C.; Gebhardt, B., Fahl, U. Market transformation for energy efficient technologies - success factors and empirical evidence for gas condensing boilers. Energy. 2002, 27, 287-315.

103. Yingying Xiong, Houzhang Tan, Yibin Wang, Weigang Xu, Hrvoje Mikulcic, Neven Duic, Pilot-scale study on water and latent heat recovery from flue gas using fluorine plastic heat exchangers, Journal of Cleaner Production, Volume 161, 2017, Pages 1416-1422.

104. Zhaohao Li, Heng Zhang, Haiping Chen, Application of transport membrane condenser for recovering water in a coal-fired power plant: A pilot study, Journal of Cleaner Production, Volume 261, 2020, 121229.

Приложение А

Информация о внедрении результатов кандидатской диссертационной

работы