Между тем, опираясь на существующие нормы расчёта, разработанные десятки лет назад, и сложившиеся стандарты выбора ключевых показателей работы подобного оборудования, эксплуатирующие организации теряют деньги, выпуская их в прямом смысле в трубу, попутно ухудшая экологическую обстановку в глобальном масштабе.
Если, как и команда "Первого инженера", вы считаете неправильным упускать возможность позаботиться об окружающей среде и здоровье жителей вашего города с выгодой для бюджета предприятия, читайте статью о том, как превратить дымовые газы в энергоресурс.
Изучаем стандарты
Ключевой параметр, определяющий КПД котельного агрегата, – температура уходящих газов. Тепло, теряемое с уходящими газами, составляет значительную часть всех тепловых потерь (наряду с потерями тепла от химического и механического недожога топлива, потерями с физическим теплом шлаков, а также утечек тепла в окружающую среду вследствие наружного охлаждения). Эти потери оказывают решающее влияние на экономичность работы котла, снижая его КПД. Таким образом, мы понимаем, что чем ниже температура дымовых газов, тем выше эффективность котла.
Оптимальная температура уходящих газов для разных видов топлива и рабочих параметров котла определяется на основании технико-экономических расчётов на самом раннем этапе его создания. При этом максимально полезное использование тепла уходящих газов традиционно достигается за счёт увеличения размеров конвективных поверхностей нагрева, а также развития хвостовых поверхностей – водяных экономайзеров, регенеративных воздухоподогревателей.
Но даже несмотря на внедрение технологий и оборудования для наиболее полной утилизации тепла, температура уходящих газов согласно действующей нормативной документации должна находиться в диапазоне:
- 120-180 °С для котлов на твёрдом топливе (в зависимости от влажности топлива и рабочих параметров котла),
- 120-160 °С для котлов на мазуте (в зависимости от содержания в нём серы),
- 120-130 °С для котлов на природном газе.
Указанные значения определены с учетом факторов экологической безопасности, но в первую очередь, исходя из требований к работоспособности и долговечности оборудования.
Так, минимальный порог задаётся таким образом, чтобы исключить риск выпадения конденсата в конвективной части котла и далее по тракту (в газоходах и дымовой трубе). Однако для предупреждения коррозии вовсе не обязательно жертвовать теплом, которое выбрасывается в атмосферу вместо того, чтобы совершать полезную работу.
Коррозия. Исключаем риски
Не спорим, коррозия – явление неприятное, способное поставить под угрозу обеспечение безопасной работы котельной установки и существенно сократить назначенный ей срок эксплуатации.
При охлаждении дымовых газов до температуры точки росы и ниже, происходит конденсация водяных паров, вместе с которыми переходят в жидкое состояние и соединения NOx, SOx, которые, вступая в реакцию с водой, образуют кислоты, разрушительно воздействующие на внутренние поверхности котла. В зависимости от типа сжигаемого топлива, температура кислотной точки росы может быть различной, как и состав кислот, выпадающих в виде конденсата. Результат, тем не менее, один – коррозия.
Уходящие газы котлов, работающих на природном газе, в основном состоят из следующих продуктов сгорания: водяных паров (Н2О), углекислого газа (СО2), угарного газа (СО) и несгоревших горючих углеводородов СnHm (два последних появляются при неполном сгорании топлива, когда режим горения не отлажен).
Поскольку в атмосферном воздухе содержится большое количество азота, среди прочего, в продуктах сгорания появляются оксиды азота NO и NO2, обобщённо именуемые NOx, пагубно воздействующие на окружающую среду и здоровье человека. Соединяясь с водой, оксиды азота и образуют коррозионно-активную азотную кислоту.
При сжигании мазута и угля в продуктах сгорания появляются оксиды серы, именуемые SOx. Их негативное воздействие на окружающую среду также широко исследовано и не подвергается сомнению. Образующийся при взаимодействии с водой кислый конденсат вызывает сернистую коррозию поверхностей нагрева.
Традиционно, температура уходящих газов, как было показано выше, выбирается таким образом, чтобы защитить оборудование от выпадения кислоты на поверхностях нагрева котла. Более того, температура газов должна обеспечить конденсацию NOx и SOx за пределами газового тракта с тем, чтобы защитить от коррозионных процессов не только сам котёл, но и газоходы с дымовой трубой. Конечно, существуют определённые нормы, ограничивающие допустимые концентрации выбросов оксидов азота и серы, но это нисколько не отменяет факт накопления этих продуктов сгорания в атмосфере Земли и выпадение их в виде кислотных осадков на её поверхность.
Сера, содержащаяся в мазуте и угле, а также унос не сгоревших частиц твёрдого топлива (в том числе золы) накладывают дополнительные условия по очистке дымовых газов. Применение систем газоочистки значительно удорожает и усложняет процесс утилизации тепла дымовых газов, делая подобные мероприятия слабо привлекательными с экономической точки зрения, а зачастую практически не окупаемыми.
В некоторых случаях местные органы власти устанавливают минимальную температуру дымовых газов в устье трубы с целью обеспечения адекватного рассеяния уходящих газов и отсутствия дымового факела. Кроме того, некоторые предприятия могут по собственной инициативе применять подобную практику для улучшения своего имиджа, поскольку широкая общественность зачастую интерпретирует наличие видимого дымового факела как признак загрязнения окружающей среды, в то время как отсутствие дымового факела может рассматриваться как признак чистого производства.
Всё это приводит к тому, что при определённых погодных условиях предприятия могут специально подогревать дымовые газы перед выбросом их в атмосферу. Хотя, понимая состав уходящих газов котла, работающего на природном газе (он детально разобран выше), становится очевидно, что белый «дым», который идёт из трубы (при правильной настройке режима горения), – это по большей части пары воды, образующиеся в результате реакции горения природного газа в топке котла.
Борьба с коррозией требует применения материалов, устойчивых к её негативному воздействию (такие материалы существуют и могут применяться на установках, использующих в качестве топлива газ, продукты нефтепереработки и даже отходы), а также организацию сбора, переработки кислого конденсата и его утилизации.
Технология
Внедрение комплекса мер по снижению температуры дымовых газов за котлом на существующем предприятии обеспечивает увеличение КПД всей установки, в состав которой входит котельный агрегат, используя, прежде всего, сам котёл (тепло, вырабатываемое в нём).
Концепция таких решений, по своей сути, сводится к одному: на участке газохода до дымовой трубы монтируется теплообменник, воспринимающий тепло дымовых газов охлаждающей средой (например, водой). Эта вода может быть, как непосредственно конечным теплоносителем, который необходимо нагреть, так и промежуточным агентом, который передаёт тепло посредством дополнительного теплообменного оборудования другому контуру.
Принципиальная схема представлена на рисунке:
Сбор образующегося конденсата происходит непосредственно в объёме нового теплообменного аппарата, который выполняется из коррозионно-устойчивых материалов. Это обусловлено тем, что порог температуры точки росы для влаги, содержащейся в объёме уходящих газов, преодолевается именно внутри теплообменника. Таким образом, полезно используется не только физическое тепло дымовых газов, но и скрытая теплота конденсации содержащихся в них водяных паров. Сам же аппарат должен рассчитываться таким образом, чтобы его конструктив не оказывал чрезмерного аэродинамического сопротивления и, как следствие, ухудшения условий работы котельного агрегата.
Конструкция теплообменного аппарата может представлять собой либо обычный рекуперативный теплообменник, где перенос тепла от газов к жидкости происходит через разделяющую стенку, либо контактный теплообменник, в котором дымовые газы непосредственно вступают в контакт с водой, которая разбрызгивается форсунками в их потоке.
Для рекуперативного теплообменника решение вопроса по кислотному конденсату сводится к организации его сбора и нейтрализации. В случае же с контактным теплообменником применяется несколько иной подход, в чём-то сходный с периодической продувкой системы оборотного водоснабжения: по мере увеличения кислотности циркулирующей жидкости, некоторое её количество отбирается в накопительный бак, где происходит обработка реагентами с последующей утилизацией воды в дренажную канализацию, либо направлением её в технологический цикл.
Отдельные применения энергии дымовых газов могут быть ограничены вследствие разницы между температурой газов и потребностями в определённой температуре на входе энергопотребляющего процесса. Однако и для таких, казалось бы, тупиковых ситуаций разработан подход, который опирается на качественно новые технологии и оборудование.
С целью повышения эффективности процесса утилизации тепла дымовых газов в мировой практике в качестве ключевого элемента системы всё чаще применяются инновационные решения на базе тепловых насосов. В отдельных секторах промышленности (например, в биоэнергетике) такие решения применяются на большинстве вводимых в эксплуатацию котлов. Дополнительная экономия первичных энергоресурсов в этом случае достигается за счёт применения не традиционных парокомпрессионных электрических машин, а более надёжных и технологичных абсорбционных бромисто-литиевых тепловых насосов (АБТН), которым для работы нужна не электроэнергия, а тепло (зачастую это может быть не используемое бросовое тепло, которое в избытке присутствует практически на любом предприятии). Такое тепло стороннего греющего источника активизирует внутренний цикл АБТН, который позволяет преобразовывать располагаемый температурный потенциал уходящих газов, и передавать его более нагретым средам.
Результат
Охлаждение уходящих газов котла с применением подобных решений может быть достаточно глубоким – до 30 и даже 20 °С с первоначальных 120-130 °С. Полученного тепла вполне достаточно, чтобы подогреть воду для нужд химводоподготовки, подпитки, горячего водоснабжения и даже теплосети.
Экономия топлива при этом может достигать 5?10 %, а повышение КПД котельного агрегата – 2?3 %.
Таким образом, внедрение описанной технологии позволяет решать сразу несколько задач. Это:
- максимально полное и полезное использование тепла дымовых газов (а также скрытой теплоты конденсации водяных паров),
- снижение объёма выбросов NOx и SOx в атмосферу,
- получение дополнительного ресурса – очищенной воды (которому найдётся полезное применение на любом предприятии, например, в качестве подпитки теплосети и других водяных контуров),
- ликвидация дымового факела (он становится едва различимым или исчезает вовсе).
Практика показывает, что целесообразность применения подобных решений в первую очередь зависит от:
- возможности полезной утилизации имеющегося тепла дымовых газов,
- продолжительности использования полученной тепловой энергии в году,
- стоимости энергоресурсов на предприятии,
- наличия превышения предельно допустимой концентрации выбросов по NOx и SOx (а также от строгости местного экологического законодательства),
- способа нейтрализации конденсата и вариантов его дальнейшего использования.
Комментарии (46)
DMGarikk
30.07.2019 12:22а меня вот удивляет факт, почему до сих пор экономически выгодно строить градирни, вместо попыток както с пользой утилизировать это тепло
vrubtsov Автор
30.07.2019 12:33+1Всё просто. Низкая стоимость топлива и электроэнергии. Сроки окупаемости тех же тепловых насосов, с помощью которых можно утилизировать низкопотенциальное тепло оборотной воды в большинстве случаев выходит за рамки 3 лет, которые считаются приемлемыми для подавляющего числа производств в современной России. Эту ситуацию могут изменить только экологически ориентированное законодательство и новые требования проектирования подобных систем.
DMGarikk
30.07.2019 12:55в большинстве случаев выходит за рамки 3 лет, которые считаются приемлемыми для подавляющего числа производств в современной России.
Может да, но это чутьли не основной узнаваемый символ облика АЭС и ТЭЦ в любом месте мираvrubtsov Автор
30.07.2019 13:09+1На электростанциях помимо дешевизны эл.энергии на собственные нужды также существует проблема применения сбрасываемого тепла.
adictive_max
30.07.2019 12:56+1Потому что всё то тепло, которое было экономически целесообразно «утилизировать», уже утилизировано. Все следующие этапы будут только увеличивать итоговую стоимость. Ну разве что у вас вдруг завалялась технология, которая позволяет делать это дёшево в пересчёте на квт*ч.
basuka58
30.07.2019 13:10+1Использовать это тепло НАМНОГО дороже, чем просто выкинуть его. Температура воды слишком низкая, 20-25 Цельсия
vrubtsov Автор
30.07.2019 13:11+1Именно. Всё зависит от характера производства и возможности использования низкопотенциального тепла.
DMGarikk
30.07.2019 13:35Температура воды слишком низкая, 20-25 Цельсия
при этом вполне популярны геотермальные тепловые насосы, у которых с температурой все сильно хужеvrubtsov Автор
30.07.2019 13:44+1Здесь, скорее, справедливо говорить об отоплении частных домов, но не о промышленном применении геотермальной энергии. Да, в России имеются регионы, где геотермальная энергия используется в промышленных масштабах (ГеоТЭС на Камчатке и ДВ), но это, всё-таки, исключение.
basuka58
30.07.2019 13:58Расход охлаждающей воды через конденсатор турбины и, соответственно, через градирню — десятки тысяч тонн в час. Утилизировать нереально.
DMGarikk
30.07.2019 14:03Именно это ограничение — несущественно, поскольку не обязательно утилизировать все 100%
vrubtsov Автор
30.07.2019 14:07+1На самом деле полностью утилизировать всю тепловую энергию водооборотного цикла очень проблематично, в этом Вы правы. Но даже при условии решения этой проблемы, нет гарантий, что новая система-потребитель низкопотенциального тепла будет работать непрерывно в режиме 24/7. Поэтому резерв в виде градирен никуда не исчезает.
basuka58
30.07.2019 14:16На ум приходит только один вариант использования низкотемпературного тепла циркводы — что-то вроде орошения теплиц этой водой сверху. Но… затраты на прокачку воды, да еще зимой этого отопления не хватит, придется добавить традиционное. По моему, овчинка выделки не стоит.
А внедрение в газовоздушный тракт дополнительных теплообменников, имхо, нанесет только вред повышением сопротивления газовоздушного тракта. В комментах уже правильно сказали — у котлов выжали уже все для повышения кпд.vrubtsov Автор
30.07.2019 14:32Конечно, здесь основная задача — снять тепло, не «заперев» котёл.
Но это уже вопрос аэродинамического расчёта газоходов с учётом новых поверхностей нагрева (наличие дымососов на котле только в плюс). Вдобавок, можно ведь установить сам теплообменник не в основном газоходе, а на байпасе.
Всё решает инженерный подход и обоснованность применяемых решений.killik
30.07.2019 17:07Байпас это же аварийный обход? В принципе, можно пропустить воздушное питание котлов через градирни, вся проблема будет снята.
killik
30.07.2019 16:43Часто встречается утверждение, что на выходе турбины ТЭС пар с температурой 100С, как у паровоза, который из градирен и свищет. Нет, там пар с температурой 38С, вода в градирне еле теплая. Последние ступени паровой турбины работают при давлении 0.1 атмосферного.
dragonnur
01.08.2019 22:14Слишком низкопотенциальное. Присобачить контур с парами фреона в турбине и ещё одном генераторе — сделать градирню ещё больше.
RusikR2D2
30.07.2019 15:53+1А будет ли работать сам котел, если температура «выхлопных» газов будет слишком низкая? Не окажется ли, что не хватит «тяги» для нормального горения? (это если котел «домашний» и не имеет принудительного «поддува»)
killik
30.07.2019 16:52Конденсационные домашние котлы давно используются. Газовые, конечно, ибо от дров и угля такой щелок натечет, что только как химоружие утилизировать )
vrubtsov Автор
30.07.2019 17:40Именно для этого и производится проверка аэродинамики газового тракта.
killik
30.07.2019 18:19Водяной пар это основной подъемный газ в трубе. Для малых установок тепловой мощностью десяток киловатт после конденсации расчет аэродинамики выхлопного тракта практического смысла не имеет. Тут обычной буржуйке то подай двухметровую трубу, а лучше четырех метровую. С конденсацией там будет труба диаметром с саму буржуйку )
EGregor_IV
31.07.2019 06:32Не будет. Более того, если ночью внезапно даст мороз, то тяга в трубе опрокинется и резко увеличится риск появления трупов в данном доме.
Я про это не понаслышке знаю, живу в коттедже с печным отоплением. Тяга несколько раз опрокидывалась. Поменял котел и трубу, и больше с таким не сталкивался.
serjmd
30.07.2019 20:16Вообще-то, чем холоднее дым, тем ближе он осядет на землю. И живущие в окрестностях котельной будут очень рады получить дополнительную дозу выхлопа.
vrubtsov Автор
31.07.2019 09:17Почему-то всегда речь идёт о тех, кто живёт рядом с котельной. Как-будто выбросы вообще нигде не оседают, кроме как в ближайшем городе или посёлке.
Всё зависит от состава дымовых газов. Если котельная работает на природном газе, то оседать будет нечему, т.к. оксиды азота и серы будут выпадать с конденсатом.
wizard_s
30.07.2019 21:16А экологичность оценивается на круг или тут как с электромобилями — вроде зелено, но есть нюансы вроде производства и утилизации батарей, зарядки от "грязных" (вроде угольных электростанций) источников? Куда девать тонны кислотного конденсата? Нейтрализовать надо. Значит, надо реагенты произвести, доставить, а затем утилизировать то, что нельзя напрямую сливать. И на все это также требуется энергия и не все этапы экологичны. Плюс холодный выхлоп будет оседать под боком, а не рассеиваться в атмосфере на большой площади
vrubtsov Автор
31.07.2019 08:51+1Пример с электромобилями показателен, но, так или иначе, те же батареи можно утилизировать, а выработка электроэнергии может осуществляться и солнечными электростанциями. Хотя и тут до абсурда можно дойти, говоря о том, что происходит отчуждение больших территорий. Едва ли какая концепция выдержит подобный подход.
Пока наше законодательство не будет ориентировано на улучшение экологии, все применяемые технологии обречены на выполнение одного главного условия их применения — срока окупаемости.
katletmedown
30.07.2019 21:16Оптимальная температура уходящих газов для разных видов топлива и рабочих параметров котла определяется на основании технико-экономических расчётов
Не очень ясен посыл статьи, если в ней так и не приведено практически никаких конкретных цифр для разных типов топлива. Да и тепловые насосы не называли сколько-нибудь «инновационными» даже в учебниках прошлого века, и никаких расчетов в этом месте также не приведено.vrubtsov Автор
31.07.2019 09:11+1Статья намеренно, скажем так, теоретизирована, и в ней рассматриваются существующие подходы к решению вопроса. Ещё раз повторюсь: таких проектов в России — по пальцам одной руки пересчитать, ещё и пальцы останутся.
У каждой системы свои характеристики (если говорить об уже существующих объектах), свои условия и режим эксплуатации. То, что подходит в одном случае, не обязательно будет работать в другом.
Iluha123
31.07.2019 09:18Так у вас дальше по газовому тракту, уже за теплообменником, давление будет падать и опять проблема точки росы в любом сечение газохода, включая дымовую трубу. Как это решить?
vrubtsov Автор
31.07.2019 09:30+1Всё зависит от сопротивления теплообменника. Но существуют антикоррозийные покрытия, способные защитить внутренние поверхности трубы и газоходов. Чисто технически вопрос решаем, но с экономической точки зрения их применение может быть не оправдано.
Iluha123
31.07.2019 10:07Трубу покрывай не покрывай, но если там начнется конденсация, как потом эту воду от туда сливать. Тут похоже надо следить, чтоб не было объемной конеднсации до конца всего тракта. Либо опять греть дымовые газы после теплообменника, либо давление им как-то поднимать. Не понятно вообщем…
vrubtsov Автор
01.08.2019 12:18Решения могут быть разные. Можно ведь и не весь объём дымовых газов охлаждать, а какую-то его часть, на выходе подмешивая к основному потоку. Всё зависит от конфигурации существующей системы.
Tachyon
31.07.2019 14:02Не специалист в этой области.
Использование на пользу того что и так выбрасывается в любом случае- благо.
Но вот вопрос: Дым ядовитый и горячий(лёгкий, все ведь помнят физку) взмывает из трубы вверх и рассеивается в верхних слоях до безопасных для человека концентраций. Дым ядовитый и просто тёплый(прошёл через экономайзер или подобные устройства) где окажется- взлетит вверх и рассеется или пойдёт низом отравляя большой концентрацией яда всё?vrubtsov Автор
01.08.2019 12:25Тут нужно смотреть какое топливо сжигается на установке. Предельные допустимые концентрации выбрасываемых веществ никто не отменял. В случае глубокой утилизации тепла дымовых газов часть вредных и опасных веществ (те же оксиды азота и серы), как описано в статье, выпадает в жидком виде и нейтрализуется.
customizer
Однако, какие молодцы работают инженерами в ГК ЛАНИТ. Наконец-то они открыли для себя экономайзер. Поздравляю. Прошло каких-то 60-70 лет со дня его первого применения.
Теперь, наверное, следует ознакомиться с деаэратором. Тоже будет прекрасным открытием для вас. Честное слово, завидую вашему незамутненному разуму.
vrubtsov Автор
Вы не достаточно внимательно ознакомились со статьёй.
Традиционные экономайзеры не решают вопрос максимального использования тепла уходящих газов. Здесь требуется комплексный подход. В нашей стране подобные проекты имеют единичные применения, но только на небольших котлах.
tsypanov
К чему сарказм? Неплохой обзор для неспециалистов.
vrubtsov Автор
Спасибо за отзыв!
Мы никого не ограничиваем в доступе. Любознательные не специалисты тоже имеют право читать и комментировать :)
Bedal
Сарказм совершенно уместен. Описанные способы утилизации требуют энергии сами по себе и ухудшают условия работы основного агрегата (грубо говоря, губят тягу). Соответственно, нужны дополнительные мощности дымососов — и опять затраты энергии. Причём дымососы потребуются более дорогие (включая обслуживание), так как коррозия на них куда сильнее проявится, чем на ламинарных поверхностях.
Итого: установка экономайзеров такого типа НЕ приводит к повышению КПД. За исключением немногих конкретных случаев.
И ещё — подогрев воды до таких небольших величин весьма сложно использовать. Куда вы подадите воду о 50°? Странно, что ещё про диоды Пельте не написали…
vrubtsov Автор
Поверхностный подход.
Во-первых, никто не отменяет экономическую целесообразность внедрения таких технологий (читаем статью до конца). И инженерную проработку во-вторых.
Проблемы тяги (в том числе естественной) и местных сопротивлений очень легко решаемы и без дополнительных дымососов.
И, если уж разбираться, то при чём здесь коррозия на дымососах? Точка росы уходящих газов преодолевается в габаритах нового теплообменника далеко за дымососами.
Ответ же на вопрос об использовании полученного тепла также освещается в статье. Рекомендую, всё-таки, дочитать её до конца и не торопиться с выводами.
Bedal
поверхностный подход — это утверждать, что «Проблемы тяги (в том числе естественной) и местных сопротивлений очень легко решаемы и без дополнительных дымососов» при температуре отходящих газов 20-30°.
Дымососы — это локальные процессы, такие, что в «очищенных» газах может возникнуть точка росы и новое выпадение. Незнание этого опять же, в тему поверхностного подхода добавляет определённости.
vrubtsov Автор
Теплообменники, врезаемые в газоходы имеют преодолимое сопротивление даже штатными тягодутьевыми механизмами. Примеры реализованных проектов по глубокой утилизации тепла дымовых газов (как раз до таких температур) имеются и в Европе, и в Азии. И они работают.
Bedal
поверхностный подход — он такой… не учитывает локальную специфику цен на тепло, возможности локальной же утилизации низкоградиентного тепла… Не учитывает, что «достаточным» по установленной мощности дымососам при росте сопротивления aka отсутствие тяги (даже без учёта аэродинамического сопротивления экономайзера) требуется больше электроэнергии для обеспечения штатного режима котла. А в случае установок с действительно высоким КПД, парогазовых — особенно, потому что режим выхлопа на турбине сказывается ещё более драматично, чем на котле.
На самом деле установок с относительно низким КПД (в силу индустриально малой мощности) много — вот и указать бы нишу применения. А так розово-голубые мазки малярной кистью ничего, кроме ощущения высокотехнологичного попила, не вызывают.
vrubtsov Автор
И снова возвращаемся к вопросу инженерной проработки и экономики. Любой проект проходит стадию ТЭО. Без этого ничто не полетит.
OMR_Kiruha
Согласен. Гораздо эффективнее первичное сжигание и утилизацию энергии производить в ГПА или ГТУ, а уже их выхлоп использовать в котлах-утилизаторах. (См. модернизацию ТЭЦ-1 г. Казань).
Использовать же малый перепад температур с выхлопа после котлов теплообменниками — задача уже решённая.