Установка глубокой утилизации тепла уходящих газов и способ предотвращения конденсации в хвостовых элементах газового тракта

Изобретение предназначено для применения в области энергосбережения и обеспечения надежной эксплуатации элементов топливоиспользующего оборудования, а именно в теплоэнергетике. Установка глубокой утилизации тепла уходящих газов путем охлаждения их внешним теплоносителем ниже температуры начала конденсации содержащегося в них водяного пара с последующим подогревом частично обезвоженных газов для создания необходимого температурного резерва сухим теплом горячего газа исходного состава в рекуперативном газо-газовом теплообменнике при обеспечиваемой искусственно повышенным температурным напором со стороны греющего газа температуре греющей поверхности на входе нагреваемого газа, достаточной для испарения приносимой этим газом жидкой воды, причем для получения греющего газа исходного состава с заданными температурными потенциалами и количествами используют устройства для отбора и транспорта из различных точек газового тракта топливоиспользующей установки потоков газа разных параметров к теплообменнику раздельно или в смеси. Способ предотвращения конденсации заключается в том, что необходимый для минимизации температурного градиента между участками греющей поверхности, поддержания уровня ее температуры и поступления к ней тепла, достаточного для испарения приносимой нагреваемым газом воды, температурный напор обеспечивают увеличением коэффициента теплоотдачи к поверхности теплообмена со стороны греющего газа по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от стенки и осевшей на ней влаги к нагреваемому газу за счет увеличения отношения скорости горячего к скорости нагреваемого газа. Изобретение позволяет наиболее рационально и полно воспринимать тепло и обеспечить надежную работу газового тракта топливопотребляющей установки. 2 н. и 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области энергосбережения и обеспечения надежной эксплуатации элементов топливоиспользующего оборудования и может быть использовано в теплоэнергетике и других отраслях при утилизации тепла уходящих газов, включая скрытую теплоту парообразования входящего в их состав водяного пара, путем охлаждения этих газов ниже температуры начала конденсации пара, а также для предотвращения коррозионного и влажностного повреждения элементов газового тракта после теплоутилизирующих установок и устройств мокрой очистки уходящих газов.

Снижение температуры уходящих газов топливопотребляющих установок ниже температуры начала конденсации содержащегося в этих газах водяного пара обеспечивает, в зависимости от рода топлива и технологических особенностей установки, возможность полезно использовать низкопотенциальную тепловую энергию, составляющую существенную часть всей располагаемой энергии (так, например, для котельных установок количество доступного для глубокой утилизации тепла лежит в пределах от 3 до 20% низшей теплотворной способности рабочей массы использованного топлива). Утилизируемая энергия включает в себя как теплоемкостное ("сухое") тепло уходящих газов, в основном получаемое при их охлаждении от исходной температуры (90...160°С) до температуры начала конденсации содержащегося в этих газах водяного пара (в зависимости от рода топлива и условий работы топливопотребляющей установки равной 45...55°С), так и скрытую теплоту парообразования выделившегося в теплоутилизационной установке конденсата при дальнейшем (до 30...35°С) охлаждении уходящих газов. Количество сухого тепла может составлять от 1/4 до 2/3 всей утилизируемой энергии.

Охлажденные уходящие газы выходят из теплоутилизационной установки, оставив в ней в виде конденсата значительную часть содержавшегося в них водяного пара, в состоянии предельного насыщения (относительная влажность 100%) оставшимся паром, что является причиной возникновения отрицательных явлений (коррозия, наледи) вследствие конденсации части остаточного пара при дальнейшем охлаждении газов в хвостовых частях газового тракта - в его элементах, расположенных после утилизационной установки (газоходах, дымососах, дымовой трубе).

Обычно температурный резерв (разность температур уходящих газов и начала конденсации из них водяного пара), определяемый базовым тепловым расчетом топливоиспользующей установки, как следует из приведенных выше данных, велик (50...100°С), и сухого тепла, содержащегося в газах в этом диапазоне температур, с избытком достаточно для компенсации теплопотерь и предотвращения появления конденсата в элементах газового тракта, расположенных за последней тепловоспринимающей поверхностью (хвостовой участок газового тракта топливоиспользующей установки, не снабженной системой утилизации тепла).

При реализации процесса глубокой утилизации тепла уходящих газов масса и теплоемкость газов, лишенных после утилизационной установки большей части исходно содержавшегося в них водяного пара, существенно меньше, чем перед установкой, поэтому сухое тепло исходных уходящих газов, переданное охлажденным и частично обезвоженным газам, может обеспечить, как минимум (с учетом промежуточных тепловых потерь) температурный резерв на исходном уровне, что, на фоне уменьшившихся за счет снизившихся температурных перепадов потерь в окружающую среду, служит надежной гарантией предотвращения появления конденсата в постовых участках газового тракта. Естественно, работа топливопотребляющей установки может происходить и при другом исходном температурном резерве. Например, форсировка режима сопровождается ростом температуры уходящих газов, что, при неизменности температуры начала конденсации, приводит к излишнему увеличению располагаемого температурного резерва и, как следствие, к неоправданной потере избытка ценного высокопотенциального тепла. В то же время при существенно сниженных нагрузках фактический температурный резерв может уменьшиться вплоть до нуля (конденсация начинается уже на платных тепловоспринимающих поверхностях и продолжается во всех последующих элементах газового тракта).

Если в первом случае задача повышения экономичности и обеспечения надежности работы системы, объединяющей топливоиспользующую и теплоутилизирующую установки, решается рациональным разделением наличного сухого тепла уходящих газов на утилизируемую и осушающую части, то во втором для обеспечения осушения охлажденного в утилизационной установке газа необходимо привлечь необходимый объем сухого тепла из других источников, в том числе и внутри системы.

Таким образом, для систем, включающих установки глубокой утилизации тепла, существует задача совершенствования как конструкций и схем, так и принципов и условий их действия, обеспечивающих оптимальные экономические и эксплуатационные результаты их функционирования.

Сформулированные задачи в существующей практике глубокой утилизации тепла решаются различными путями.

А. Известны схемы глубокой утилизации тепла, в которых задача предотвращения влаговыделения из газа после утилизационной установки, а также доиспарения взвешенных в нем капель воды брызгоуноса решается способом снижения относительной влажности газа на этом участке за счет подмешивания некоторого количества газа, имеющего более низкую относительную влажность.

А.1 Байпассная схема (например, патент США, класс 432-179, №012191, опубликован в 1977 г.).

Уходящие газы топливопотребляющей установки, имеющие, несмотря на высокое абсолютное влагооодержание (в зависимости от вида и условий сжигания топлива 90...180 граммов водяного пара на кубометр сухого газа при нормальных условиях), низкую относительную влажность, определяемую высокой температурой этих газов, разделяют на два потока.

Часть уходящих газов поступает в установку глубокой утилизации тепла, охлаждается, отдавая сначала теплоемкостное тепло, затем существенно обезвоживается с выделением большей части конденсационного тепла, содержащегося в данной порции газов, и достигает полного насыщения водяным паром при низких конечных температуре и влагосодержании (например, в кубическом метре охлажденного до 30°С газа содержится менее 30 граммов водяного пара).

Второй поток уходящих газов, сохранивших исходные характеристики (в том числе и содержащееся в них конденсационное тепло), поступает по обводному газоходу к выходу из теплоутилизатора и смешивается с охлажденной частью газов.

Образовавшаяся смесь газов приобретает осредненное влагосодержание, зависящее от соотношения масс смешиваемых потоков, и заданную условиями исключения дальнейшей конденсации температуру (она несколько более высокая, чем среднемассовая, поскольку исходные уходящие газы, содержащие больше водяного пара, обладают более высокой, чем обезвоженные газы, теплоемкостью).

Чем ниже исходная температура уходящих газов и чем выше теплопотери в хвостовых частях газового тракта, тем больший процент газов необходимо байпассировать мимо теплоутилизационной установки, снижая (вплоть до исключения) в результате такого перераспределения газов долю утилизируемого содержащегося в них низкопотенциального тепла (его конденсационной части).

Байпассная схема, конструктивно исключительно простая, не дает возможности даже в принципе утилизировать полный объем пригодного для утилизации тепла, что является ее серьезным недостатком.

А.2. Схема с подмешиванием воздуха (например, авторское свидетельство СССР, класс F 22 В 1/18, №1086296, приоритет 27.09.83).

В описываемом решении в теплоутилизационную установку подают весь объем уходящих газов, что обеспечивает доступность для глубокой утилизации всего содержащегося в них низкопотенциального тепла.

Часть уходящих газов перед их поступлением в теплоутилизационную установку пропускают через газо-газовый рекуперативный теплообменник, где они отдают содержащееся в них тепло подаваемому туда же атмосферному воздуху.

Примененное в обсуждаемом решении ступенчатое включение газогазового (газо-воздушного) теплообменника позволяет передать тепло от уходящих газов к воздуху в оптимальном режиме, в частности, полностью использовать высокий температурный потенциал сухой части этого тепла.

Нагретый воздух имеет абсолютную влажность ниже, чем у уходящего газа после теплоутилизатора, и тем более ниже, чем у исходного газа, поэтому смесь воздуха и охлажденного газа приобретает средневзвешенные абсолютную и относительную влажность значительно более низкие, чем в варианте с байпассированием. В то же время рассматриваемая схема имеет существенные недостатки.

По мере уменьшения располагаемой исходной температуры уходящих газов количества сухого тепла, приносимого ими, становится недостаточным для требуемого нагрева воздуха, газ в теплообменнике охлаждается ниже температуры начала конденсации и из него выделяется часть воды (что подтверждается наличием предусмотренной в схеме линии сброса конденсата). Таким образом, в описанном режиме предотвращение влаговыделения после теплоутилизатора достигается за счет организации влаговыделения в части газового тракта (теплообменник, газоход) перед ней, что, по-видимому, нецелесообразно. Использование дополнительного теплоносителя (воздуха) в количествах, соизмеримых с количеством уходящих газов, требует соответствующих энергозатрат на его перемещение, обеспечиваемое, например дымососом, имеющим электрический привод. Потребление дополнительного количества электроэнергии, для генерации которой расходуется трех-четырехкратное количество высокопотенциального тепла топлива, существенно качественно и количественно снижает энергетическую эффективность рассматриваемой схемы

Б. Известны схемы глубокой утилизации тепла, в которых задача предотвращения влаговыделения в элементах газового тракта после теплоутилизирующей установки решается путем снижения относительной влажности охлажденного газа без изменения абсолютного содержания в нем водяного пара - за счет подогрева этого газа

Б.1. Подогрев утилизированным теплом при потенциале утилизации (например, авторское свидетельство СССР, класс F 22 В 1/18, F 23 J 15/00, №1086296, приоритет 10.11.83).

Тепло нагретого теплоносителя (воды) теплоутилизирующей установки через каскад (в конкретном случае - двух) рекуперативных водо-водяных теплообменников подают в водо-газовый рекуперативный подогреватель, где оно передается газам, вышедшим из теплоутилизатора, нагревая их и тем самым снижая относительную влажность этих газов.

Предельная температура воды-теплоносителя, достижимая в обсуждаемом решении, не может превышать температуру уходящих газов, дополнительно увлажненных в результате испарения, за счет расходования содержащегося в этих газах сухого тепла, части охлаждающей воды контактного теплоутилизационного теплообменника или, при использовании поверхностного теплообменника, выделившегося в нем конденсата, стекающего навстречу горячим уходящим газам. Температура начала конденсации в увлажненном газе при замещении сухого тепла эквивалентным количеством конденсационного не превышает 55...65°С. Таким образом, в результате потерь уровня температуры затрачиваемого на создание необходимых температурных напоров в каждой ступени теплообмена, а также естественной неравномерности использования теплообменных поверхностей их температура со стороны нагреваемого газа оказывается существенно ниже новой температуры начала конденсации в греющем газе и нагреваемые газы не могут быть нагреты выше 45...55°С.

Низкий (не выше 15°С) температурный резерв при низкой теплоемкости частично обезвоженных газов не способен обеспечить тепловые потоки, необходимые для испарения капель воды брызгоуноса, в результате чего для компенсации теплопотерь в хвостовом участке газового тракта потребуется существенное увеличение поверхности подогревателя.

Не улучшает положения и отказ от каскадной передачи тепла с введением встроенного в тептоутилизирующую установку высокоэффективного газо-газового теплообменника с орошаемой стороной подвода тепла (например, авторское свидетельство СССР, класс F 22 В 1/18, №1760238, приоритет (В. 05.90), в котором размещение подогревающего теплообменника на входе в теплоутилизатор приводит к необходимости транспортировать охлажденный газ с предельной относительной влажностью от выхода из теплоутилизатора до входа в него, что, за счет охлаждения газа в газоходе, создает условия для конденсации части содержащегося в нем пара, конденсат которого отрицательно воздействует на материал газохода и теплообменника.

Следует обратить особое внимание на тот факт, что испарение жидкой воды с поверхности, нагретой ниже 100°С и омываемой при давлении, близком к атмосферному, потоком газа, насыщенного водяным паром, чрезвычайно затруднено, поэтому забалластированность охлажденного газа каплями воды, миновавших сепарационное устройство на выходе из теплоутилизатора и возникших в процессе конденсации пара, требует принятия специальных решений для предотвращения коррозии газоходов и самого подогревателя.

Отмеченные обстоятельства являются существенным недостатком обсуждаемых решений. Примененный в этих решениях способ повышения температуры теплообменной поверхности со стороны нагреваемой среды, основанный на использовании в качестве греющей среды жидкости (воды), что позволяет, за счет высокого коэффициента теплоотдачи от жидкости к стенке, уменьшить отрицательное влияние низкого уровня используемого для теплообмена располагаемого температурного напора, все же полностью присущие им недостатки не компенсирует.

Б.2. Подогрев высоко потенциальным теплом газа из промежуточного газохода топливопотребляющей установки (например, авторское свидетельство СССР, класс F 23 J 15/00, №1263972, приоритет 01.04.85).

Нагрев газов, выходящих из теплоутилизационной установки, осуществляют в одноступенчатом газо-газовом рекуперативном теплообменнике однократного перекрестного тока, установленном непосредственно за теплоутилизатором, с помощью высокотемпературного газа, отобранного из газохода топливоиспользующей установки перед штатными тепловоспринимаюшими поверхностями.

Остывший в теплообменнике греющий газ смешивается с уходящими газами и вместе с ними поступает на вход теплоутилизационной установки.

Исходная температура греющего газа в зависимости от места его отбора может быть достаточно высокой для того, чтобы обеспечить практически любую температуру теплообменной поверхности со стороны нагреваемого газа, в том числе и выше 100 ° С для уверенного испарения осевшей на поверхности теплообменника жидкой воды, поступившей в него в виде взвешенных в охлажденном газе капель брызгоуноса или вторичного конденсата, а также нагреть этот газ до нужной температуры

Описанное техническое решение предусматривает подачу в теплоутилизационную установку всего объема уходящих газов, что обеспечивает доступность для глубокой утилизации всего содержащегося в нем тепла, что является достоинством данного решения.

К числу достоинств относится также размещение подогревателя непосредственно на выходе нагреваемого газа

Использование в качестве греющей среды горячего газа с потенциалам, превышающим потенциал уходящих газов, обеспечивает высокую температуру обращенной к нагреваемому газу поверхности теплообменника, что гарантирует полное испарение жидкой воды и нагрев холодного газа за счет сухого (теплоемкостного) тепла греющего газа, то есть исключает влаговыделение в каком-либо из участков газового тракта кроме специально предназначенных для этого элементов теплоутилизатора.

Отмеченные достоинства аппаратурного обеспечения протекания заданных процессов, а также примененный способ повышения температуры функциональной (испаряющей поступающую с нагреваемым газом воду) стороны теплообменной поверхности газо-газового подогревателя за счет увеличения приложенного температурного напора позволяют рассматривать авторское свидетельство №1263972 как ПРОТОТИП и в части аппаратурного, и в части методического решения поставленной задачи.

Следует отметить, что использование в Прототипе газо-газового теплообменника однократного перекрестного тока существенно снижает эксплуатационные и энергетические качества устройства. Необходимые температурные характеристики теплообмена на выходном участке такого теплообменника могут быть достигнуты, например, избыточно высоким температурным напором на входном участке, что приводит к нерациональным энергозатратам на излишний нагрев охлажденных уходящих газов, или увеличением расхода греющего газа, сближающим температуры греющей среды на входе и на выходе, что приводит к росту количества высокопотенциального сухого тепла в сбрасываемом на вход в теплоутилизатор отработавшем греющем газе.

Рассмотренное решение, кроме отмеченного выше нерационально организованного процесса теплообмена, имеет принципиальный недостаток, заключающийся в том, что все необходимое количество тепла отбирают от высокотемпературных газов, не прошедших через предназначенные для восприятия высокопотенциального тепла штатные поверхности нагрева топливоиспользующей установки.

Нагрев для создания температурного резерва в хвостовом участке газового тракта газов, покинувших теплоутилизационную установку, теплом горячего газа, отобранного перед штатной тепловоспринимающей поверхностью, в то время как уходящие газы, содержащие значительное количество подлежащего утилизации тепла (в том числе и достаточно высокопотенциального сухого) для этой цели не используются, ухудшает тепловые характеристики обсуждаемой топливоиспользующей установки.

Принятая в прототипе схема потоков газа и тепла, не меняя формальной экономичности системы, состоящей из топливоиспользующего и теплоутилизирующего устройств, существенно снижает тепловую эффективность этой системы, увеличивая в ее тепловом балансе долю трудноиспользуемого низкопотенциального тепла.

Целью изобретения является усовершенствование схемы и устройств системы глубокой утилизации тепла уходящих газов, а также способа (условий) их применения, обеспечивающего наиболее рациональное и полное восприятие тепла и надежную работу газового тракта топливопотребляющей установки.

Указанная цель достигается в установке глубокой утилизации тепла уходящих газов путем охлаждения их внешним теплоносителем ниже температуры начала конденсации содержащегося в них водяного пара с последующим подогревом частично обезвоженных газов для создания необходимого температурного резерва сухим теплом горячего газа исходного состава в рекуперативном газо-газовом теплообменнике при обеспечиваемой искусственно повышенным температурным напором со стороны греющего газа температуре греющей поверхности на входе нагреваемого газа, достаточной для испарения приносимой этим газом жидкой воды, причем согласно изобретению для получения греющего газа исходного состава с заданными температурными потенциалами и количествами используют устройства для отбора и транспорта из различных точек газового тракта топливоиспользующей установки потоков газа разных параметров к теплообменнику раздельно или в смеси.

Кроме того, разделение процесса передачи тепла от греющей к нагреваемой среде в соответствии с различием условий протекания отдельных его этапов достигают с помощью применения многоступенчатого рекуперативного газо-газового теплообменника, конструктивное исполнение каждой ступени которого учитывает количество и условия передачи в ней тепла, а также комбинированием включения ступеней этого теплообменника параллельно-последовательно по греющей среде и индивидуальной подачей в них потоков газа требуемых параметров,

Согласно изобретению при недостатке в греющих газах сухого тепла для доведения температурного резерва нагреваемого газа до требуемого по условиям эксплуатации хвостового участка газового тракта для его догрева нагретым в теплоутилизационной установке внешним теплоносителем в газоходе устанавливают рекуперативный водо-газовый подогреватель.

Способ предотвращения конденсации в хвостовых элементах газового тракта путем подогрева частично обезвоженных при охлаждении ниже температуры начала конденсации уходящих газов теплом газов исходных состава и температур в установке по пунктам 1-3 предусматривает процесс передачи тепла разделяют по ходу как греющего, так и нагреваемого газов на этапы, характеризующиеся различием протекающих в них теплофизических явлений и условий их реализации.

Кроме того, необходимый для минимизации температурного градиента между участками греющей поверхности, поддержания уровня ее температуры и поступления к ней тепла, достаточного для испарения приносимой нагреваемым газом воды, температурный напор обеспечивают увеличением коэффициента теплоотдачи к поверхности теплообмена со стороны греющего газа по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от стенки и осевшей на ней влаги к нагреваемому газу за счет увеличения отношения скорости горячего к скорости нагреваемого газа.

Согласно изобретению места отбора, количества и параметры высокотемпературного газа при его использовании на первом испарительном этапе теплообмена определяют, исходя из требования минимизации температурной деградации отвлекаемого от основного процесса теплоотдачи в топливопотребляющеей установке высокопотенциального тепла и обеспечения надежной работы элементов газового тракта перед утилизационной установкой, условием минимальной достаточности количества передаваемого тепла потребностью испарения поступающей с нагреваемым газом воды при недопущении снижения температуры греющего газа до уровня начала конденсации в нем. Указанная цель также достигается тем, что в установке, предназначенной для глубокой утилизации из всего объема уходящих газов тепла, включающего скрытую теплоту парообразования части содержащегося в них водяного пара, путем охлаждения их внешним теплоносителем, а также последующего подогрева этих газов, лишившихся в результате конденсации большей части содержавшегося в них водяного пара, теплом горячего газа исходного состава, осуществляемого в рекуперативном газо-газовом теплообменнике при уровне температуры греющей поверхности на входе нагреваемого газа, достаточном для испарения жидкой воды, поступающей к ней с этим газом, обеспечиваемом специально создаваемым повышенным температурным напором со стороны греющего газа.

Новыми признаками, согласно изобретению являются:

1. В конструктивно-схемном решении установки глубокой утилизации тепла уходящих газов и реализации Способа предотвращения конденсации в хвостовых элементах газового тракта.

1.1. Использование в качестве греющей среды газов исходного состава с регулируемыми температурными потенциалами и количествами обеспечивают конструктивно (комплектом устройств) и возможностью отбора этих газов из разных точек газового тракта топливоиспользующей установки, а также подачей потоков газа заданных параметров раздельно или в смеси.

1.2. Разделение процесса передачи тепла от греющей к нагреваемой среде в соответствии с различием условий протекания отдельных его этапов достигают путем применения многоступенчатого многоходового рекуперативного газо-газового теплообменника, конструктивное исполнение каждой ступени которого учитывает количество и условия передачи в них тепла, а также организацией возможности комбинирования включения ступеней этого теплообменника параллельно-последовательно по греющей среде и подачи в разные ступени потоков газа требуемых параметров.

1.3. Доведение, при недостатке в греющих газах сухого тепла, температурного резерва газа после теплоутилизирующей установки до требуемого из условий эксплуатации хвостового участка газового тракта обеспечивают, предусмотрев установку после газо-газового подогревателя рекуперативного водогазового подогревателя с возможностью подачи в него в качестве греющей среды нагретого в теплоутилизационной установке внешнего теплоносителя.

2. В способе, базирующемся, в частности, на новых технических решениях, охарактеризованных в пунктах 1-3, обеспечивающих передачу к нагреваемому газу сухого тепла от греющего газа при тепловом потоке к нагревающей поверхности и ее температуре, достаточных для испарения поступающей с нагреваемым газом воды брызгоуноса и вторичной конденсации, достигаемыми за счет повышения располагаемого градиента температур между греющей средой и теплоотдающей поверхностью.

2.1. Процесс передачи тепла от греющего к нагреваемому агенту разделяют по ходу как греющего, так и нагреваемого газов на этапы, характеризующиеся различием протекающих в них теплофизических явлений и условий их реализации.

2.2. Минимизацию температурного градиента между участками греющей поверхности, а также поступление тепла в количестве, достаточном для испарения воды, обеспечивают увеличением коэффициента теплоотдачи к поверхности теплообмена со стороны греющего газа по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от стенки и осевшей на ней влаги к нагреваемому газу за счет относительного увеличения скорости горячего газа (отношения скоростей греющего и нагреваемого газов).

2.3. Температуру, место отбора и количество высокотемпературного газа, используемого отдельно или в смеси с уходящими газами, в качестве греющего определяют, исходя из требования минимального обеспечения реализации первой (испарительной) фазы теплообмена при недопущении снижения температуры греющего газа до уровня начала конденсации в нем.

Отличительный от прототипа признак 1.1., предусматривающий возможность отбора горячего газа, с целью получить греющего газа необходимой температуры, из различных точек газохода топливоиспользующей установки в известных нам технических решениях, предназначенных для выполнения сформулированной выше цели, не применяется, на основании чего можно констатировать, что в предлагаемом техническом решении присутствует "новизна".

Отличительный от прототипа признак 1.2., предусматривающий использование многоступенчатого многоходового по греющему газу теплообменника известен (обсужденное выше а.с. СССР 1086296), однако возможность использования в качестве греющего агента одновременно газов различных параметров в известных нам решениях ни конструкцией, ни схемой включения теплообменника не предусмотрена, что позволяет говорить о возможности применения к этому признаку критерия "существенные отличия".

Отличительный от прототипа признак 2.2, предусматривающий для поддержания высокой температуры греющей стороны теплообменной поверхности первой по ходу нагреваемого газа секции теплообменника применение известного в теплотехнике метода повышения коэффициента теплообмена путем повышения коэффициента теплоотдачи от газа к стенке за счет увеличения скорости течения этого газа, что позволяет использовать греющий газ более низкой температуры, в известных нам способах не применяется, что дает основание характеризовать его критерием "новизна".

Отличительный от прототипа признак 2.3., ограничивающий количество высокопотенциального тепла, подаваемого, при его нехватке в уходящих газах, горячим газом в первую по ходу нагреваемого газа секцию теплообменника» потребностью на испарение воды с обращенной к нагреваемому газу стороны теплообменной поверхности при условии недопущения охлаждения греющего газа до возникновения конденсации из него, ограничением температуры греющего газа, достигаемым возможностью выбора места отбора газа из газоходов топливопотребляющей установки, исключает или ограничивает количество термически деградируемого тепла, на основании чего может характеризоваться критерием "полезность".

Остальные отличительные признаки известны и в разных вариациях применяются, в частности, и в обсужденных выше аналогах, однако их совмещение в предлагаемом решении, наряду с наличием признаков, рассмотренных выше, позволяет считать, что образовавшаяся в результате сумма конструктивных (устройство) и эксплуатационных (способ) решений отвечает требованию всех упомянутых выше критериев.

Предлагаемое изобретение применимо и после систем мокрой очистки газов. Конденсационное осушение газа при его охлаждении холодной орошающей водой и последующий его нагрев исходным газом может повысить эксплуатационную надежность системы, ликвидировав конденсацию в хвостовых частях газового тракта, что даже без утилизации низкопотенциального тепла соответствует критерию "полезность.

На чертеже представлена схема установки глубокой утилизации тепла уходящих газов.

Предлагаемое устройство содержит:

- теплоутилизационную установку 1, включающую в себя утилизационный контактный (возможен и поверхностный) теплообменник, распределительную камеру 2, водосборник 3, насос 4, потребителя низкопотенциального тепла 5, брызгоуловитель 6, трубопроводы обвязки 7-11;

- устройство подогрева газа, состоящее из параллельно (12, 13, 14) и последовательно (15, 17) по греющему газу включенных ступеней газо-газового теплообменника многократно-перекрестного тока», а также водогазового подогревателя 18;

- газоход топливоиспользующей установки с тепловоспринимаюшими поверхностями 19, 20, 21 (от низко- к высокотемпературной);

- систему групп транспортных газоходов 22-30;

- систему групп запорно-регулирующих шиберов 31 - 41.

Глубокую утилизацию тепла уходящих газов топливоиспользующих установок, обеспечивающую максимальное извлечение из отработанных продуктов сгорания топлива содержащегося в них низкопотенциального тепла, включая теплоту парообразования части водяного пара, входящего в их состав, а также предотвращение выноса и исключение выделения воды в элементах газового тракта перед и за теплоутилизирующей установкой организуют, применяя заявленные схему, аппаратурное обеспечение и условия их использования, составляющие содержание изобретения.

Примеры использования предложения.

В зависимости от исходных условий может возникнуть необходимость реализовать разные варианты состава и схемы соединения задействованных элементов, а также порядка действия устройства в целом. В базовом варианте номинальная нагрузка топливоиспользующей установки обеспечивает температурный резерв исходных уходящих газов на оптимальном уровне и этот уровень резерва, воспроизведенный при подогреве уходящих газов, прошедших теплоутилизационную установку, гарантирует отсутствие в них жидкой воды при оптимальных затратах тепла.

Уходящие газы, содержащие низкопотенциальное тепло, подлежащее утилизации (в том числе сухое тепло в количестве, достаточном для предотвращения конденсации в хвостовых элементах газового тракта) после последней по ходу газов платной тепловоспринимающей поверхности 19 топливоиспользующей установки в полном объеме при закрытом шибере 31 и открытом шибере 32 направляют по газоходу 4.02.00 и его ответвлениям 24, 25 и 26 соответственно к параллельно включенным ступеням 12, 13 и 14 перекрестноточного теплообменника (количество параллельных ступеней, в принципе, может быть любым). С помощью шиберов 33, 34 и 35 уходящие газы распределяют таким образом, чтобы создать в первой по ходу нагреваемого газа ступени 12 («испарительной») скорость течения, обеспечивающую обсужденные выше условия испарения воды брызгоуноса (для поддержания необходимой скорости газа любая из параллельных ступеней, кроме испарительной 12, может быть отключена).

Частично охлажденные в параллельных ступенях 12... 14 газовые потоки поступают при закрытом шибере 40 через открытые шиберы 36, 41 и 38 в сборный газоход 27, откуда их смесь подают в последовательно включенные ступени 15 и 16 (количество этих ступеней и их размещение относительно направления движения нагреваемого газа, - прямоточное, как в описываемой схеме, противоточное или смешанное, - решаются при конкретном проектировании). Охлажденная до температуры, несколько превышающей точку начала конденсации, газовая смесь по газоходу 28 при открытом шибере 41 направляют в распределительную камеру 2 и далее в теплообменник 1, в котором она оставляет остаточное сухое тепло, а также заданное условиями глубокой утилизации количество скрытой теплоты парообразования, выделившейся при конденсации большей части содержавшегося в ней водяного пара. Неназванные при описании обсуждаемого режима шиберы закрыты.

Охлажденные в теплообменнике 1 газы, забалластированные каплями (унесенной охлаждающей воды в смеси с конденсатом в случае применения, как в анализируемом случае, контактного теплообмена или конденсата при использовании поверхностного охладителя), направляют через брызгоуловитель 6 в расположенную сразу же за ним, по возможности без промежуточных газоходов, первую по ходу нагреваемого газа испарительную ступень 12 (одну из параллельно включенных по нагревающему газу).

В испарительной ступени 12, работающей в режиме интенсифицированной за счет повышения скорости течения греющего газа теплоотдачи от этого газа, нагреваемый газ освобождают, путем испарения при практически постоянной температуре нагреваемого газа, от жидкой воды, не уловленной каплеуловителем 6, и направляют для дальнейшего нагрева последовательно в ступени 13...16, где он, нагреваясь, приобретает температурный резерв, необходимый для предотвращения конденсации в газоходе 30 и последующих элементах газового тракта

В условиях рассматриваемого здесь примера с использованием контактного утилизационного теплообменника 1 нагретый промежуточный теплоноситель - воду, собравшуюся в водосборнике 3, насосом 4 подают по трубопроводам 7 и 10 потребителю 5 низкопотенциального тепла, от которого охлажденную по трубопроводу 11 возвращают в теплообменник 1.

Если нагрузка топливоиспользующей установки в результате форсировки ее работы существенно повышена, температура уходящих газов значительно превышает норму, что вследствие практической неизменности для данного вида топлива температуры начала конденсации приводит к наличию избыточного температурного резерва и, как следствие, при отсутствии теплоутилизации, к увеличенным потерям тепла с уходящими газами.

Отмеченный энергетический дисбаланс ликвидируется тем, что уходящие газы после последней штатной тепловоспринимающей установки 19 разделяют положением шиберов 32 и 31 на два потока, один из которых по газоходу 22 направляют через распределительную камеру 2 в утилизирующий теплообменник 1, а второй по газоходу 23 согласно схеме и режимам, обсужденным выше, направляют для подогрева газов после теплоутилизатора. Соотношение объемов газов в этих потоках регулируют таким образом, чтобы в газоходе 28 с учетом теплопотерь в нем температура газа несколько превышала температуру начала конденсации, а нагреваемый газ приобрел после подогревателя необходимый температурный резерв. Перегрев нагреваемого газа за счет более высокого исходного потенциала греющего газа предотвращают байпассированием части газа из сборного газохода 27 соотношением положения шиберов 36 и 40 мимо ступеней 15 и 16 в газоход 28.

Режим работы топливоиспользующей установки при пониженных нагрузках приводит к снижению температуры уходящих газов и, соответственно, уменьшению (вплоть до полного исчезновения) температурного резерва, что, при отсутствии установки глубокой утилизации тепла, является причиной конденсации в хвостовых элементах газового тракта с сопровождающими ее отрицательными явлениями.

При уровне температуры уходящих газов, недостаточном для нормальной работы ступени 12 в испарительном режиме, к уходящим газам перед их поступлением в ступень 12 подмешивают, установив необходимое соотношение положений шиберов 33 и 42, подаваемый по газоходу 42 более горячий газ, отобранный из промежуточных точек перед платными тепловоспринимающими поверхностями 19, 20 или 21 (от наиболее низкой температуры), доводя температуру образующейся на входе в ступень 12 смеси до расчетного уровня (температуры уходящих газов при базовой нагрузке топливоиспользующей установки). Высвобождающийся объем уходящих газов направляют в ступени 13 и 14, а смесь газов из ступеней 12...14 доохлаждают в пределах имеющегося в них резерва сухого тепла в ступенях 15 и 16 или в том случае, если резерв недостаточен, через открытый шибер 40 по газоходу 28 подают в теплоутилизатор, ступени 13, 14, 15, 16 по греющему газу не задействуют и отключают от потока греющего газа шиберами 34, 35, 36 и 41.

В том случае, когда температура уходящих газов близка к температуре начала конденсации содержащегося в нем водяного пара, использование их для подогрева (тем более для испарения воды брызгоуноса) газа, покидающего брызгоуловитель 6, в любой из ступеней газо-газового теплообменника нецелесообразно, так как приведет к выделению из него влаги, поэтому весь объем уходящих газов направляют при закрытом шибере 32 через открытый шибер 31 по газоходу 22 в распределительную камеру 1 и далее в утилизационный теплообменник 1, где он отдает внешнему теплоносителю скрытую теплоту парообразования большей части содержащегося в нем водяного пара.

Для испарения воды, вынесенной охлажденным газом из брызгоуловителя 6 на греющую сторону теплообменной поверхности первой по нагреваемому газу испарительной ступени 12, туда, к нагреваемой стороне теплообменной поверхности через открытый шибер (шибер 33 закрыт) из газохода 29 подают горячий газ с температурой, близкой к температуре уходящих газов при нормальной нагрузке топливоиспользующей установки. Горячий газ необходимого температурного потенциала в газоход 29 отбирают из промежуточных точек до и между тепловоспринимающими поверхностями 19, 20, 21 газового тракта топливоиспользующей установки путем индивидуального или комбинированного открытия шиберов 42, 43, 44 и т.д., начиная от точки с наименьшей температурой, после охлаждения в испарительной ступени 12 греющий газ, через открытый шибер 40 по газоходу 28 поступает в теплоутилизатор. Ступени 13, 15, 16 отключают от потока греющего газа шиберами 34, 35, 36, 41.

С целью минимизации деградирования теплового потенциала горячих продуктов сгорания, газ отбирают в количестве, не превышающем необходимое для обеспечения испарения воды на стороне нагрева и без запаса тепла для создания температурного резерва в нагреваемых газах.

Газы, освобожденные от жидкой воды в испарительной ступени 12, подают через отключенные по греющей стороне ступени 13, 14, 15, 16 в водо-газовый подогреватель 18, где нагревают до температуры, близкой к температуре конденсации в исходном газе.

В качестве греющего агента в подогревателе 18 используют промежуточный теплоноситель (воду), нагретый конденсационным теплом охлаждаемых в теплоутилизационной установке газов. Воду из водосборника 3 с помощью насоса 4 подают, в зависимости от потребности в тепле, частично или в полном объеме по трубопроводам 7 и 9 в теплообменник 18, а оттуда несколько остывший теплоноситель по трубопроводам 8 и 10 направляют потребителю тепла 5.

В остальном схема потоков воды во всех режимах остается неизменной.

Температурный резерв порядка 15...25°С, приобретенный нагреваемыми очищенными от воды брызгоуноса газами в водогазовом подогревателе 2.06, достаточен для предотвращения конденсации из них остаточного пара при их последующем остывании в хвостовых элементах газового тракта.

Естественно, фактически складывающиеся эксплуатационные условия работы комплекса, состоящего из устройств топливоиспользования, теплоутилизации и подогрева газов, не могут полностью совпадать с условиями, обсужденными выше, поэтому возможны промежуточные режимы, совмещающие в себе особенности нескольких вариантов.

1. Установка глубокой утилизации тепла уходящих газов путем охлаждения их внешним теплоносителем ниже температуры начала конденсации содержащегося в них водяного пара с последующим подогревом частично обезвоженных газов для создания необходимого температурного резерва сухим теплом горячего газа исходного состава в рекуперативном газо-газовом теплообменнике при обеспечиваемой искусственно повышенным температурным напором со стороны греющего газа температуре греющей поверхности на входе нагреваемого газа, достаточной для испарения приносимой этим газом жидкой воды, отличающаяся тем, что для получения греющего газа исходного состава с заданными температурными потенциалами и количествами используют устройства для отбора и транспорта из различных точек газового тракта топливоиспользующей установки потоков газа разных параметров к теплообменнику раздельно или в смеси.

2. Установка глубокой утилизации тепла уходящих газов по п.1, отличающаяся тем, что разделения процесса передачи тепла от греющей к нагреваемой среде в соответствии с различием условий протекания отдельных его этапов достигают с помощью применения многоступенчатого рекуперативного газо-газового теплообменника, конструктивное исполнение каждой ступени которого учитывает количество и условия передачи в ней тепла, а также комбинированием включения ступеней этого теплообменника параллельно-последовательно по греющей среде и индивидуальной подачей в них потоков газа требуемых параметров.

3. Установка глубокой утилизации тепла уходящих газов по п.1, отличающаяся тем, что при недостатке в греющих газах сухого тепла для доведения температурного резерва нагреваемого газа до требуемого по условиям эксплуатации хвостового участка газового тракта, для его догрева нагретым в теплоутилизационной установке внешним теплоносителем в газоходе устанавливают рекуперативный водо-газовый подогреватель.

4. Способ предотвращения конденсации в хвостовых элементах газового тракта путем подогрева частично обезвоженных при охлаждении ниже температуры начала конденсации уходящих газов теплом газов исходных состава и температур в установке по пп.1-3, отличающийся тем, что процесс передачи тепла разделяют по ходу как греющего, так и нагреваемого газов на этапы, характеризующиеся различием протекающих в них теплофизических явлений и условий их реализации.

5. Способ предотвращения конденсации по п.4, отличающийся тем, что необходимый для минимизации температурного градиента между участками греющей поверхности, поддержания уровня ее температуры и поступления к ней тепла, достаточного для испарения приносимой нагреваемым газом воды, температурный напор обеспечивают увеличением коэффициента теплоотдачи к поверхности теплообмена со стороны греющего газа по сравнению с коэффициентом теплоотдачи от стенки и осевшей на ней влаги к нагреваемому газу за счет увеличения отношения скорости горячего к скорости нагреваемого газа.

6. Способ предотвращения конденсации по п.4, отличающийся тем, что места отбора, количества и параметры высокотемпературного газа при его использовании на первом испарительном этапе теплообмена определяют исходя из требования минимизации температурной деградации отвлекаемого от основного процесса теплоотдачи в топливопотребляющей установке высокопотенциального тепла и обеспечения надежной работы элементов газового тракта перед утилизационной установкой условием минимальной достаточности количества передаваемого тепла потребностью испарения поступающей с нагреваемым газом воды при недопущении снижения температуры греющего газа до уровня начала конденсации в нем.