В статье анализируется мощность, полученная при утилизации тепла дымовых газов за счет конденсации водяных паров.
Ключевые слова: тепло, утилизатор, точка росы, водяные пары.
Утилизация тепла уходящих газов является одним из способов повышения эффективности теплоэнергетических установок. Задача правильного использования тепла дымовых газов приобрела особую важность с началом широкого применения природного газа в котельных установках.
Тепловую энергию, содержащуюся в дымовых газах можно разделить на две составляющие. Первая составляющая обусловлена высокой температурой уходящих газов. Это тепло утилизируется понижением температуры за счет полезного нагрева другой среды (воды или воздуха). Температура уходящих газов в этом случае может быть понижена до температуры точки росы водяных паров, содержащихся в дымовых газах.
Второй составляющей является скрытая теплота конденсации водяных паров. Утилизация этого тепла требует конденсации водяных паров, при этом выделяемое тепло нагревает воздух, воду или другую среду.
При сжигании газообразного топлива, например, природного газа, содержащего в основном метан, образуется высокое количество водяных паров.
CH 4 + 2O 2 = CO 2 + 2H 2 О
Влагосодержание дымовых газов составляет от 151 до 118 грамм на килограмм сухих газов (г/кг с. г.), в зависимости от коэффициента избытка воздуха α = 1÷1,4.
Влагосодержание d определяет точку росы водяных паров в дымовых газах. Начальное влагосодержание дымовых газов d 1 определяется составом топлива, исходным влагосодержанием воздуха и коэффициентом избытка воздуха. Глубина утилизации будет определяться количеством сконденсированной влаги, то есть разностью влагосодержания дымовых газов до и после утилизации. При охлаждении дымовых газов ниже температуры точки росы t 1s начинается конденсация водяных паров
При 0°С влагосодержание дымовых газов составляет d о = 3,7 (г/кг с.г).
Для предотвращения образования льда на практике необходим запас в несколько градусов. Возможное количество сконденсированной влаги D k будет определяться разностью начального влагосодержания d 1 и d о .
D k = (d 1 — d о ) / 1000 (г/кг с.г)
В таблице 1 представлены расчеты для разных значений коэффициента избытка воздуха. Принято t
0
= 0°С, d
0
= 3,7 г/кг.с.г,
Таблица 1
Энергетический ресурс для утилизации тепла дымовых газов расходом 1 м 3 /с за счет конденсации водяных паров
|
Коэффициент избытка воздуха, α |
1 |
1,1 |
1,2 |
1,3 |
1,4 |
|
Начальное влагосодержание, d 1 (г/кг с.г) |
151 |
137 |
126 |
116 |
108 |
|
Начальная температура точки росы, t 1s (°С) |
59,5 |
57,8 |
56,4 |
55 |
54 |
|
Энтальпия насыщенных водяных паров при температуре t
1s
,
|
2610 |
2607 |
2604 |
2602 |
2599 |
|
Массовый расход сухих дымовых газов, G s (кг/с) |
1,069 |
1,085 |
1,099 |
1,111 |
1,122 |
|
Массовый расход водяных паров, G w (кг/с) |
0,162 |
0,149 |
0,138 |
0,13 |
0,122 |
|
Расход конденсата, G k (кг/c) |
0,158 |
0,145 |
0,135 |
0,126 |
0,118 |
|
Максимальная теоретическая мощность конденсатора, Q k (кВт) |
483 |
429 |
418 |
388 |
367 |
|
% от тепловой мощности котла |
17,6 |
16,4 |
15,3 |
14,4 |
13,6 |
По данным таблицы можно сделать вывод, максимальная теоретическая мощность теплоутилизатора, только за счет конденсации водяных паров в зависимости от коэффициента избытка воздуха, составляет от 483 до 367 кВт. Это дополнительно полученная полезная мощность, которая составляет 13,6÷17,6 % мощности котла.
На данный момент теплоутилизаторы не могут сконденсировать все водяные пары. Здесь главным фактором является конечная температура дымовых газов, равная температуре точки росы остаточных водяных паров. Она определяет конечное влагосодержание, мощность конденсатора и итоговый расход конденсата.
Понижение конечной температуры ниже 10°С не приводит к значительному увеличению расхода конденсата и росту мощности. Оптимальное значение конечной температуры дымовых газов должно составлять около 10÷30°С.
Охлаждение уходящих газов котла с применением разных 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.
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.
Литература:
- Шадек Е., Маршак Б., Анохин А., Горшков В. Глубокая утилизация тепла отходящих газов теплогенераторов // Промышленные и отопительные котельные и мини-ТЭЦ, 2014.
- [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://hаbr.cоm/ru/cоmpаny/lаnit/blоg/460419/ (дата обращения: 09.06.2022).
