§ 1.6. Котельная без водоумягчительной установки

В процессе охлаждения продуктов сгорания в конденсационном теплоутилизаторе (КТ) ниже точки росы их влагосодержание снижается (см. § 1.5). При этом из продуктов сгорания выделяется конденсат (обессоленная вода), а продукты сгорания близки к полному насыщению. Выделяющийся в КТ конденсат при контакте с продуктами сгорания природного газа поглощает O₂ и CO₂. Исследования качества конденсата из продуктов сгорания природного газа, проведенные М.Б. Равичем, Л.И. Друскиным в МИНГ им. Губкина, Г.М. Климовым в Горьковском инженерно -строительном институте, в лаборатории химического анализа Ульяновской ТЭЦ–3 показали достаточно высокие его качества. Конденсат продуктов сгорания природного газа лишен взвешенных веществ карбонатной жесткости и имеет сухой остаток менее 5 мг/л. Он практически является бессолевой водой и превосходит в этом смысле воду, умягченную в водоподготовительных установках промышленных котельных. Конденсат продуктов сгорания природного газа после дегазации вполне может быть использован для питания котлов низкого давления [17, 23]. Зависимости, позволяющие рассчитывать количество получаемого из продуктов сгорания конденсата при их глубоком охлаждении, имеют вид [4]

,

где  – приведенное количество получаемого из продуктов сгорания конденсата;  – приведенный теоретический расход сухого дутьевого воздуха ;  – приведенное теоретическое количество сухих продуктов сгорания,  = 1,333; _ух – коэффициент избытка воздуха в газоходе перед КТ;  – влагосодержание продуктов сгорания на входе в КТ, кг/кг с.г.;  – влагосодержание продуктов сгорания после КТ, кг/кг с.г.

Представленные приведенные характеристики рассчитаны по отношению к низшей теплоте сгорания топлива , Мкал/м³. Влагосодержания продуктов сгорания рассчитываются по следующим формулам:

,

где Х_В – влагосодержание дутьевого воздуха, кг/кг с.г.

,

где t_ух – температура продуктов сгорания после КТ, ˚C.

Анализ представленных зависимостей показывает, что количество выделяющегося из продуктов сгорания конденсата в большей степени зависит от температуры уходящих газов и их влагосодержания. Одним из путей увеличения влагосодержания газов и количества выделяющегося из продуктов сгорания конденсата является подогрев и искусственное увлажнение дутьевого воздуха, например путем нагрева его в контактном воздухоподогревателе. При этом дутьевой воздух достигает практически полного насыщения и его влагосодержание будет определяться температурой подогрева.

При нагреве контактным способом дутьевого воздуха котла до 4550 ºC его влагосодержание возрастает с 0,0080,01 до 0,0630,086 кг/кг с.в. Это количество водяных паров балластом переходит в дымовые газы. Если в этом случае уходящие продукты сгорания охладить в конденсационном теплоутилизаторе до температуры 40 ºC, то количество выделяющегося из продуктов сгорания конденсата в ряде случаев будет достаточным для работы котельной без водоумягчительной установки (при расчетной норме подпитки 0,5 % трубопроводов закрытой системы теплоснабжения).

По величине рассчитывается абсолютное количество конденсата g_w, которое может быть получено при сжигании 1 м³ природного газа и последующем охлаждении продуктов сгорания ниже температуры точки росы. Например, при _ух = 1,25; t_ух = 45 ºC; Х_В = 0,01 кг/кг с.в. получаем: кг/кг с.г.; г/кг .в.;  = 0,0948. В этом случае при сжигании 1 м³ природного газа с теплотой сгорания  = 7973 ккал/м³ выделяется абсолютное количество конденсата g_w = 0,119557973/1000 = 0,756 кг. При увеличении влагосодержания дутьевого воздуха до 0,02 кг/кг с.в. g_w составит 0,897 кг, а при Х_В = 0,07 кг/кг с.в. – 1,602 кг.

Анализ работы парового котла ДЕ–10–14 ГМ Ульяновской ТЭЦ–3 [4] показывает, что при номинальной нагрузке 10 тонн пара в час расход природного газа составляет 712 м³/ч. Внедрение конденсационного поверхностного теплоутилизатора на паровом котле № 2 Ульяновской ТЭЦ–3 позволило повысить к.и.т. котла в среднем на 7 8 % и одновременно снизить содержание оксидов азота в уходящих газах на 27 29 %. Абсолютное количество конденсата уходящих продуктов сгорания составило 0,462 кг/ч . Снижение содержания токсичного диоксида азота в уходящих продуктах сгорания произошло за счет его растворения в конденсате дымовых газов, выделившемся при их охлаждении ниже точки росы, равной 55,3˚C при α_ух = 1,25. Таким образом, конденсационный теплоутилизатор является не только теплообменником, но и в определенной степени газоуловителем. При этом степень очистки продуктов сгорания от оксидов азота, а также и от других компонентов, обладающих растворимостью в воде, повышается с увеличением степени орошения уходящих продуктов сгорания.

При нагревании дутьевого воздуха в контактном воздухоподогревателе до температуры 47ºC, абсолютное количество конденсата дымовых газов при их охлаждении до 40 ºC составит 1,629/ч на 1 м³ сжигаемого природного газа, а при сжигании 712 м³/ч газа – 1160 кг/ч.

Увлажнение дутьевого воздуха позволяет получить дополнительный эффект в виде уменьшения содержания NO_X в продуктах сгорания в топке. Установлено, что с увеличением содержания водяного пара в дутьевом воздухе с 0,01 до 0,03 кг/кг с.в. содержание оксидов азота в продуктах сгорания в топке снижается в 23 раза. С целью энергоресурсосбережения и сокращения выбросов в окружающую среду разработана схема котельной установки без цеха химводоочистки, в которой утилизируются теплота уходящих продуктов сгорания (физическая и конденсации водяных паров), выпары атмосферного деаэратора и воздушного декарбонизатора (рис. 1.5) [4].

Уходящие продукты сгорания после котла 2 поступают в экономайзер 1, где охлаждаются ниже точки росы в результате прямого контакта с потоком орошающей воды, при этом из продуктов сгорания происходит частичная конденсация водяных паров. Нагретая орошающая вода проходит через теплообменник 14, охлаждается и возвращается в контактный экономайзер 1.

Конденсат (обессоленная вода), выделяющийся из продуктов сгорания в процессе их глубокого охлаждения в контактном экономайзере 1 стекает в сборник 15 и удаляется из него через сборный бак 16 декарбонизатора 7, откуда подается в атмосферный деаэратор 10 и далее на подпитку тепловой сети 5.

Насыщенный дутьевой воздух после контактного воздухоподогревателя 6 подается в котел 2, откуда продукты сгорания с содержащимися в них водяными парами направляются в контактный экономайзер 1. Подогрев и увлажнение дутьевого воздуха способствуют увеличению производства собственного конденсата, выделяющегося из продуктов сгорания в экономайзере 1.

Выпар декарбонизатора 7 подается по трубопроводу 8 во всасывающий короб дутьевого вентилятора 9, что частично снижает производительность воздухоподогревателя и позволяет полностью утилизировать теплоту выпара и выпар декарбонизатора.

Охлажденная в воздухоподогревателе 6 вода прокачивается через теплообменник 14, где она подогревается и возвращается в воздухоподогреватель 6. При этом часть водопроводной (сырой) воды расходуется на компенсацию испарившихся в контактном воздухоподогревателе водяных паров.

Реконструкция паровой котельной Ульяновской ТЭЦ–3, состоящей из 3–х котлов ДЕ–10–14 ГМ, позволит повысить кпд котлов по высшей теплоте сгорания на 810 %, уменьшить расход подпиточной воды на 2,32,4 м³/ч из расчета постоянной работы двух котлоагрегатов, полностью утилизировать выпар атмосферных деаэраторов и снизить содержание оксидов азота в уходящих продуктах сгорания не менее, чем в 2 раза. Использование конденсата уходящих продуктов сгорания в системе теплоснабжения ТЭЦ обеспечивает экономию реагентов и электроэнергии на приготовление химически очищенной воды, при этом сокращаются сбросы продуктов регенерации от натрий катионитных фильтров в окружающую среду.