Термосифонные теплообменники типа «газ-газ» для рекуперации тепла запыленных дымовых газов

Нынешний этап экономического развития страны характеризуется возрастанием роли рыночных критериев работы предприятий, таких как себестоимость, цена, рентабельность, прибыль. Существенное значение на них оказывает энергетическая составляющая затрат в составе себестоимости продукции, которая для некоторых предприятий доходит до 60−80% [74].

Многие теплоэнергетические установки, такие как котельные, нагревательные печи нефтеперерабатывающих заводов, барабанные печи предприятий строительной индустрии имеют незначительный к.п.д., и как следствие высокую себестоимость тепловой энергии.

Среди основных источников потерь тепловой энергии:

1. Несовершенство конструкций теплоэнергетических установок;

2. Потери с отходящими дымовыми газами;

3. Потери при транспортировании теплоносителей по коммуникационным сетям.

Наиболее перспективным подходом, дающим существенное снижение потерь тепловой энергии, является разработка и внедрение аппаратов по утилизации тепла отходящих дымовых газов. Большинство нагревательных печей нефтеперерабатывающих заводов не оборудованы такими установками, особенно это характерно для предприятий использующих сернистое топливо. Протекающая в утилизаторах сернокислотная коррозия приводит к разрушению конструктивных элементов аппаратов.

Актуальной проблема утилизации тепла становится для производств с сильно запыленными отходящими дымовыми газами. При ограниченном запасе тяги характерно налипание частиц на тепловоспроизводящую поверхность, в результате чего уменьшаются коэффициенты теплоотдачи, и возрастает аэродинамическое сопротивление рекуперативных аппаратов. Эта проблема особенно характерна при утилизации тепла на предприятиях по производству соды и строительной индустрии. До сих пор не разработаны устройства, обеспечивающие продолжительный цикл рекуперации тепла с допустимым сохранением первоначальной эффективности аппарата.

Сравнительный анализ существующих рекуперативных установок, их поведение в условиях сернокислотной коррозии и запыленных сред, показало, что наиболее перспективными являются теплообменные аппараты, построенные на базе двухфазных термосифонов. Рекуперативные аппараты на основе отдельных теплопроводящих элементов позволяют создавать различные по назначению, производительности, конструктивному оформлению устройства. Таковыми из них являются разборные устройства, построенные по модульному принципу, которые нашли отражение в данной работе.

Существенное сокращение затрат и потерь происходит при получении тепловой энергии на месте ее потребления. Практически исключаются затраты на транспортирование теплоносителей по коммуникационным сетям. В нашем случае источником тепла является энергия, полученная от сжигания природного газа. Преобразование энергии горения происходит в теплоэнергетической установке — теплогенераторе, где теплопередающим устройством является теплообменник, нагревающий теплоноситель (воздух или воздух и воду) для промышленных нужд и отопления. Наиболее рациональными для этих целей также являются теплообменники, построенные на базе двухфазных термосифонов. Теплогенераторы полностью автоматизированы, имеют надежную защиту при возникновении аварийных ситуаций.

Проведенные теоретические и практические испытания позволили предложить в качестве конструктивного элемента для изготовления двухфазного термосифона бывшие в употреблении элементы с алюминиевым оребрением от аппаратов воздушного охлаждения. Ресурсы этих отработанных элементов составляют сотни тонн в год только с одного нефтеперерабатывающего завода.

На основании теоретических исследований разработаны конструкции теплообменников типа «газ-газ», которые были изготовлены и установлены для утилизации тепла дымовых газов за печью П-6 цеха кальцинации № 1 АОЗТ «Сода», за печью обжига керамзита ООО «ДСК» ОАО «КПД». Создана серия теплогенераторов для получения тепловой энергии.

Работа проводилась в соответствии с Государственной научно-технической программой — по заданию Госкомитета Республики Башкортостан по науке, высшему и среднему профессиональному образованию «Разработка новейших технологий и материалов для машиностроения и ап-паратостроения» — раздел «Аппаратостроение» 1996;1999 г. г. по заказу АОЗТ «Сода» и ООО «ДСК» ОАО «КПД» согласно технологическому регламенту. Научная новизна работы.

1) Создана математическая модель модульного термо сифонного теплообменника для работы в запыленных и агрессивных средах;

2) решена задача рационального синтеза конструктивных элементов модульного термосифонного теплообменника со сменными блоками на основе отдельных теплопроводящих элементов в пространстве для рекуперации тепла запыленных и агрессивных дымовых газов;

3) сформулированы принципы деления трубного пучка термосифонного теплообменника на сменные модули;

4) разработаны расчетные методы оценки долговечности термосифонных элементов с учетом цикличности изменения рабочих условий эксплуатации и свойств теплоносителя.

Практическая ценность работы.

Разработана энергосберегающая технология утилизации тепла залыленных и агрессивных дымовых газов.

Предложена конструкция термосифонного теплообменника типа «газ-газ» модульного типа со сменными блоками, даны рекомендации по проектированию и эффективному применению, описаны конструкции новых теп-лообменных аппаратов на основе термосифонов.

1. СОСТОЯНИЕ ТЕХНИКИ И ТЕХНОЛОГИИ РЕКУПЕРАЦИИ ТЕПЛА НА ПРЕДПРИЯТИЯХ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА.

Успешное решение задач экономного использования топливно-энергетических ресурсов во многом определяется уровнем использования вторичных энергоресурсов промышленного производства. Основным видом вторичных энергоресурсов в промышленности являются тепловые ресурсы, важное место, среди которых занимает теплота отходящих газов теплоэнергетических и технологических агрегатов, физическая теплота основной продукции и отходов.

Для утилизации теплоты отходящих газов в различных отраслях промышленности применяются различное теплоутилизационное оборудование (котлы-утилизаторы, воздухоподогреватели, газо-газовые и газо-жидкостные теплообменники традиционных конструкций).

На предприятиях нефтеперерабатывающей промышленности используют в основном два способа утилизации сбросного тепла продуктов сгорания топлива — установка после технологических печей котла-утилизатора (или экономайзера) либо воздухоподогревателя. Выбор того или иного способа определяется конкретными условиями энергоснабжения технологических установок.

Температура продуктов сгорания топлива перед котлом-утилизатором обычно составляет 400−600 °С, при этом вырабатывается пар в основном низких параметров (1,4 МПа), КПД котлов-утилизаторов, как правило составляет (40−60%) [28]. Температура продуктов сгорания за большинством котлов-утилизаторов не может быть ниже 200−220 °С. Это определяется температурой питательной воды (при наличии экономайзера) и минимальным (экономически оправданным) температурным напором, причем с повышением давления вырабатываемого пара температура газового потока за котлом-утилизатором повышается, что также приводит к снижению КПД.

Использование воздухоподогревателей позволяет охлаждать их до температуры определяемой температурой точки росы 110−137 °С [11]. КПД тепловых установок с воздухоподогревателями может быть доведен до 92−94% [30]. Это свидетельствует о предпочтительности последних.

Утилизировать теплоту отходящих газов можно по двум схемам: 1-" процесс-комфорт" и 2- «процесс-процесс» [66].

По первой схеме рекуперированная теплота направляется либо на отопление помещений промышленных зданий, либо на обогрев индивидуальных рабочих мест [44−69].

Принцип утилизации тепла по схеме «процесс-комфорт» показан на рисунке 1. Отработанные газы в теплообменнике нагревают воздух, который.

Рисунок 1 — Схема утилизации тепла уходящих газов «процесс-комфорт». подается на обогрев производственных помещений или отдельных рабочих мест.

По второй схеме «процесс-процесс» утилизированная в теплообменнике теплота может использоваться либо в самом процессе, сбросная теплота которого утилизируется (например, на подогрев воздуха для горения) [28,11,49,56,58,80,], либо на совершение нового процесса (выработку пара для производства электроэнергии, для отопления жилых и производственных зданий и пр.) [34,58,83].

Принцип утилизации тепла по схеме «процесс-процесс» показан на рисунке 2. Отработанные газы в теплообменнике нагревают воздух который подается на горение.

Технико-экономическая эффективность возврата рекуперативной теплоты в системах «процесс-процесс» значительно выше, чем в системах «процесс-комфорт», поскольку рекуперативная тепловая энергия в первом случае может использоваться в течение круглого года.

Теплоноситель Топливо на горение.

Воздухонагреватель.

Воздух на.

Отработанные газы.

Рисунок 2 — Схема утилизации тепла уходящих газов «процесс-процесс» .

Одной из главных проблем предъявляемых к воздухоподогревателям, наряду с дешевизной, ремонтопригодностью, безопасностью эксплуатации, малой металлоемкостью, является способность работы аппаратов в условиях работы с дымовыми газами, полученными от сжигания сернистого топлива. При сжигании сернистых топлив холодная часть воздухоподогревателя имеет температуру стенки ниже точки росы дымовых газов. В связи с этим происходит конденсация влаги, коррозия концевых элементов конструкции, и их загрязнение.

Опасными интервалами температур стенки теплообменных аппаратов, по данным [22,23,41], являются диапазоны температуры точки росы (120 150 °С) до 105−110 °С и ниже 70 °C. Работа аппарата при температурах выше точки росы снижает эффективность рекуперации тепла отходящих дымовых газов.

Системы утилизации, работающие по схеме «процесс-процесс» (рис. 2) как правило, применяются при сжигании бессернистого топлива. В противном случае со временем происходит разрушение элементов конструкции теплообменного аппарата. Иногда в целях борьбы с коррозией на холодном конце воздухоподогревателя устанавливается чугунная, эмалированная или неметаллическая поверхность [28,30].

Одним из перспективных путей уменьшения потерь от сернокислотной коррозии является деление теплообменной поверхности воздухоподогревателей на две части: основную и сменную.

Тепловая нагрузка при этом перераспределяется так, что температура стенки основной секции заведомо выше точки росы дымовых газов и, следовательно, поверхность не подвергается коррозии, а в коррозионной зоне находится только сменная секция. Раздельная конструкция воздухоподогревателя позволяет экономить по сравнению с традиционными воздухоподогревателями около 75% металла.

Применение сменной секции дает возможность использовать источники сбросного тепла для предварительного подогрева воздуха до 70−90 °С. Температура воздуха после сменной секции 140 °C. Это обеспечивает бескоррозионный режим эксплуатации основной секции при сжигании высокосернистого мазута (точка росы 150 °С) и создает условия для поддержания температуры стенки основной секции со стороны входа воздуха не ниже 165−170 °С.

Схема подогрева воздуха, разработанная ВНИПИНефтью, за счет использования тепла отходящих продуктов сгорания топлива технологических печей показана на рисунке 3 [27]. В основном воздухоподогревателе продукты сгорания охлаждаются до 250 °C. Наличие сменного воздухоподогревателя обусловлено порогом фазового перехода конденсирующихся в продуктах сгорания компонентов при их охлаждении. Этот температурный интервал приходится на теплообменную поверхность сменного воздухоподогревателя, что приводит к его быстрому выходу из строя вследствие интенсивной коррозии труб. В сменном воздухоподогревателе продукты сгорания охлаждаются до 200 °C.

Рисунок 3 — Схема подогрева воздуха, разработки ВНИПИНефть.

1- основной воздухоподогреватель, 2- сменный воздухоподогреватель,.

3-калорифер, 4- шибер.

С целью уменьшения коррозии сменного воздухоподогревателя и обеспечения достаточного межремонтного пробега атмосферный воздух, подаваемый в горелочное пространство печи, перед подачей в воздухоподогреватели проходит через калорифер, где нагревается до 80−85 °С. После этого он поступает в межтрубное пространство сменного воздухоподогревателя, где нагревается до 140 °C, и основного воздухоподогревателя, где нагревается до 300 °C.

При таком решении проблемы уменьшаются потери на ремонт аппарата за счет сменного элемента. Следует отметить, что в разработке были использованы трубчатые воздухоподогреватели, имеющие ряд недостатков, о которых будет отмечено ниже. Кроме того, схема избыточна за счет большого количества теплообменных элементов.

Несколько похожее решение было предложено в работе [11]. На рисунке 4 представлена схема двухступенчатого воздухоподогревателя.

Рисунок 4 — Схема двухступенчатого воздухоподогревателя.

1- трубчатый воздухоподогреватель, 2- теплообменник на двухфазных термосифонах.

Состоит аппарат из двух секций: трубчатого рекуператора 1 и теплообменника 2, выполненного на основе двухфазных термосифонов.

Конструкция воздухоподогревателя обеспечивает работу теплообменных поверхностей термосифонов выше точки росы оксидов серы в отходящих газах при подаче в воздухоподогреватель холодного воздуха.

Воздухоподогреватель допускает разрушение отдельных элементов теплообменника на двухфазных термосифонах, при этом сохраняется герметичность системы. Недостатком является сложность замены теплообменника при засорении его газового тракта продуктами неполного сгорания топлива и коррозии.

Практически отсутствуют разработки воздухоподогревателей, работающих в запыленной среде. Например, опытный рекуператор, собранный из пакетов двухфазных термосифонов со свободным расположением нижних концов элементов [12] не нашел практического применения. Положительным является то, что конструкция аппарата предусматривает очистку воздухоподогревателя в рабочий период путем его встряхивания, а в периоды остановок механическим путем.

Таким образом, исходя из рассмотрения схемных решений утилизации тепла отходящих дымовых газов, предпочтительным для работы в условиях сернокислотной коррозии и запыленных сред являются аппараты со съемными элементами, позволяющими либо полностью заменять их при разрушении, либо проводить быструю очистку при их засорении [51].

Современные тенденции производства и использования энергетических ресурсов предполагают их производство на месте потребления [11,39,50]. Благодаря совмещению в едином комплексе теплогенерирующей и теплоиспользующей установок исключаются промежуточный теплоноситель (пар, вода), а также обусловленные им капитальные затраты на котельную и неизбежные потери тепла при транспорте от котельной к потребителю.

Крупными потребителями, работающими по такой схеме, становятся предприятия нефтепереработки и нефтехимии, металлургии и машиностроения, деревообработки, по производству сборного железобетона, строительной индустрии и сельского хозяйства [43,50,53,55]. Здесь около 25−30% первичного топлива потребляется в сушильных процессах [40]. Актуальной становится проблема отопления помещений автономными генераторами энергии.

В настоящее время учеными и практиками идет интенсивная разработка теплогенераторов для нужд промышленности. Как правило, тепловая мощность вновь создаваемых аппаратов лежит в интервале 0,1−1 МВт.

По своему конструктивному оформлению разрабатываются аппараты: смесительного типа и рекуперативного типа.

Теплогенераторы смесительного типа — теплоэнергетически наиболее эффективны, их КПД близок к 100%. Воздух нагревается при смешении с горячими продуктами сгорания топлива, и смесь подается в производственный аппарат или в отапливаемое помещение (рисунок 5).

Воздух на нагрев Г~.

Воздух на горение -—ГорелкаС^) Нагретый.

Топливо на горение воздух^*.

Рисунок 5 — Принципиальная схема теплогенератора смесительного типа.

Несмотря на соответствие, жестким требованиям ПДК вредных примесей и СНИПу по отоплению и вентиляции теплогенераторы смесительного типа не полностью отвечают современным гигиеническим требованиям и поэтому рекомендуются к применению в производствах, отличающихся либо относительно загрязненной атмосферой рабочего помещения, либо кратковременным пребываем производственного персонала в помещении.

В рекуперативных теплогенераторах холодный воздух нагревается в воздухоподогревателе. Тепло в виде дымовых газов, получаемое путем сжигания топлива, подается в межтрубное пространство воздухоподогревателя и через стенки теплообменника передается воздушному потоку (рисунок 6).

Продукты сгорания из горелки поступают в трубки теплообменника и далее в атмосферу. Воздух на нагрев нагнетается в теплообменник, омывает трубки, нагревается и через распределительное устройство подается на технологические нужды.

Эффективность работы таких теплогенераторов зависит от эффективности работы воздухоподогревателя. От выбора теплообменного устройства зависит также металлоемкость конструкции аппарата, его ремонтопригодность, стоимость. 2.

Топливо.

Воздух на горение 1 V.

Дымовые газы.

Воздух, А на нагрев.

Рисунок 6 — Схема рекуперативного теплогенератора. 1- горелка, 2- воздухоподогреватель.

5. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ.

5.1. Утилизация тепла отходящих дымовых газов, характеризующихся запыленностью и агрессивностью среды, — с температурным потенциалом 550 °C и ниже в трубчатых, чугунных и пластинчатых рекуператорах приводит к их засорению, разрушению концевых частей за счет сернокислотной коррозии и выходу из строя, имеют недостаточную газоплотность и ремонтопригодность. Для комплексного решения этих задач предлагаются рекуперативные теплообменники типа «газ-газ» на базе термосифонов модульного типа со съемными блоками.

5.2. Показано, что по совместимости с Теплоносителем, термической прочности и долговечности, термосифонные элементы можно изготавливать из бывших в употреблении углеродистых или нержавеющих труб аппаратов воздушного охлаждения оребренных алюминиевыми сплавами АМцМ или АД-1.

5.3. Дано конструктивное решение рекуперативного термосифонного теплообменника типа «газ-газ» модульного типа со съемными блоками, для чего разработаны варианты крепления элементов в трубной решетке, методы компенсации температурного линейного расширения трубного пучка с обеспечением газового уплотнения каналов.

5.4. Приведена усовершенствованная методика расчета термосифонного теплообменника, позволяющая оптимизировать соотношение длин зон испарения и конденсации и характер влияния диаметра, шага термосифона и коэффициента оребрения поверхности теплообмена на конструктивные размеры аппарата. Методика расчета аппарата позволяет произвести разбиение конструкции теплообменника по свойствам используемого в термосифонах теплоносителя, удобства обслуживания и ремонтопригодности конструкции.

5.5. Предложена модель работы термосифона при различных термосиловых условиях воздействия, позволяющая численно, устанавливать режимы его работы и выбирать наиболее оптимальный. Рассчитана, на основе разработанных алгоритмов термоциклическая долговечность термосифонов, изготовленных из однородного и биметаллического материала бывших в употреблении аппаратов воздушного охлаждения.

5.6. На основании результатов выполненных исследований изготовлены термосифонные теплообменники модульного типа, которые прошли опытно-промышленные испытания и были установлены за барабанной печью обжига керамзитового гравия ООО «ДСК» ОАО «КПД», г. Уфа и печью П-6 цеха кальцинации № 1 АОЗТ «Сода», г. Стерлитамак, работающие в условиях сернокислотной коррозии и запыленности газовой среды. Окупаемость затрат на внедрение подобных аппаратов составляет от 1 до 2 лет.

5.7. Разработаны и испытаны в условиях ООО «Домостроительный комбинат» ОАО «Крупнопанельное домостроение», г. Уфа теплогенераторы с теплообменниками типа «газ-газ», предназначенные для тепловой обработки строительных материалов и отопления промышленных и бытовых помещений. Работа аппаратов полностью автоматизирована, создана система их управления, подобраны исполнительные и сигнализирующие устройства. Окупаемость затрат на внедрение теплогенераторов не превышает 1 год. На 15% снизилась себестоимость выпускаемой продукции.