Эффективность использования конденсационных экономайзеров в схемах котельных на молочных предприятиях
Завацкий Виктор
Рис.1 Конденсационный экономайзер
Технология использования скрытой теплоты парообразования для увеличения эффективности и КПД установки известна давно. Многие из нас как минимум слышали про котлы конденсационного типа, у которых КПД более 100%. Конечно многие смеются и говорят, что КПД больше 100% не бывает. Конечно не бывает! Тут просто надо разбираться, как и по какой методике все это считается. Об этом много написано, есть специальная литература, можете разобраться самостоятельно. Сейчас не об этом. Я хочу рассказать больше о технологии использования скрытой теплоты парообразования в утилизаторах тепла и как мы это реализуем на практике.
После сжигания природного газа в котле образуются дымовые газы, которые выходят из котла с температурой более 100 ℃ (в зависимости от типа котла и нагрузки она сильно меняется) и далее удаляются через дымовую трубу. Получается, что мы высокопотенциальный теплоноситель просто выбрасываем в атмосферу, да еще и загрязняя ее вредными выбросами (СО2, СО, NOx). Смысл технологии заключается в том, чтобы использовать это высокопотенциальное тепло для подогрева другого теплоносителя, при этом опустить температуру отходящих газов ниже точки росы (для природного газа она находится в районе 65-70 ℃), высвободив при этом большое количество тепла (называемого скрытой теплотой парообразования) за счет фазового перехода воды из газообразного в жидкое состояние.
Конденсационные водогрейные котлы пока не слишком прижились в нашей стране из-за их высокой стоимости и долгих сроках окупаемости. Температура отходящих газов на выходе из водогрейного котла достаточно низка и не способствует сильной экономии при применении данной технологии.
Другое дело котлы паровые. На выходе из паровых котлов температура отходящих газов составляет 130-180 ℃ (зависит от типа котла, производителя и т.д.). Сами котлы делать из нержавейки довольно дорого и бессмысленно, особенно при высоких давлениях. Поэтому мы пошли другим путем: на газоотводящем тракте за штатным экономайзером котла мы ставим второй конденсационный экономайзер из нержавеющей стали, на котором и происходит снижения температуры отходящих газов ниже точки росы за счет подогрева холодной воды
Как правило, в производственной паровой котельной мы находим четыре основных направления утилизации тепла отходящих газов:
- 1. Подогрев химочищенной воды перед деаэратором
- 2. Подогрев подпитки (или подогрева рециркуляции) системы технологического ГВС
- 3. Подогрев системы отопления
- 4. Подогрев подпитки системы бытового ГВС
Я расположил данные направления утилизации в порядке приоритетности. Иногда, если мы не можем одной системой снимать достаточно много тепла с дымовых газов, мы используем две системы одновременно.
Подогрев химочищенной воды перед деаэратором – это наиболее часто используемая схема с конденсором, т.к. если мы потребляем пар, то в этот момент котел находится в работе, потребляет питательную воду, образовываются уходящие газы, которые в свою очередь подогревают питательную воду. Вся система работает синхронно. Температура химочищенной воды достаточно низка, около 5-10℃, поэтому получается большой температурный градиент с температурой отходящих газов и высокая конденсация внутри экономайзера, поэтому эффект применения технологии максимален (чем ниже температура нагреваемого теплоносителя, тем лучше). Однако, данная схема применима только при возврате конденсата как правило не более 70%. Если больше, получается небольшой расход по нагреваемой стороне, тогда мы эту схему либо не применяем, либо комбинируем ее на подогрев еще одного контура (например, ГВС или отопления).
Второй вариант использования данной технологии – на нагрев подпитки (или подогрев рециркуляции) системы технологического ГВС. Как правило, потребление воды на технологический ГВС достаточно высокое, поэтому высока и подпитка. Вода на подпитку подается из трубопровода исходной воды с температурой 5-10℃ (как писал выше, чем ниже температура нагреваемого теплоносителя, тем лучше). Минусом этой системы является то, что вода из исходного водопровода идет с высокой жесткостью, соответственно ее нельзя подавать напрямую в конденсор из-за возможного образования накипи внутри трубок конденсора, приходится делать промежуточный контур с умягченной водой или гликолем. Подогрев рециркуляции нам менее интересен из-за высокой температуры (как правило не менее 30-35℃), что значительно снижает эффективность съема тепла на конденсоре.
Использование тепла отходящих газов на нагрев воды в обратном трубопроводе отопление не является эффективным по нескольким причинам. Первое это отсутствие возможности использования технологии в неотопительном сезоне. Второе это достаточно высокая температура в обратном трубопроводе даже при температуре окружающей среды 0…+8℃. Третье это несовпадение загрузки котла с потребностью потребителя системы отопления, т.е. технология наиболее эффективна при небольших положительных температурах окружающей среды (т.к. температура в обратке минимальна), при этом тепла потребителю по сути уже и не требуется. Использование тепла отходящих газов на нагрев системы отопления может быть эффективно только в комбинации с подогревом первых двух систем
Использование тепла отходящих на нагрев бытового ГВС не эффективно по причине периодического использования горячей воды, наличия пиков потребления. Причем эти пики не всегда совпадают с пиками нагрузки на котел. Т.е. большую часть времени конденсор работает на байпасе. Эта система также может быть эффективна только в комбинации с подогревом первых двух систем
Есть два момента, о которых надо помнить при реализации схемы применения конденсационных экономайзеров:
1. Образование большого количества кислого конденсата (угольная кислота), который необходимо либо нейтрализовать щелочью, либо перемешать с другими стоками котельной. По опыту могу сказать, что в паровых котельных установка нейтрализаторов не требуется, т.к. там присутствует большое количество разных стоков (от водоподготовки, от продувок и т.д.), которые нейтрализуют конденсат. На первых своих проектах мы ставили сложные автоматические системы нейтрализации конденсата по датчику рН, которые никогда не включались, поэтому в последствии мы отказались от химической нейтрализации
2. Необходимость использования газоходов из нержавеющей стали после конденсора (т.к. большое количество кислого конденсата достаточно быстро «сжирает» углеродистую сталь). Однако, в последнее время в 90% проектах по умолчанию используются сэндвич-газоходы из нержавеющей стали, поэтому надо только лишь обращать внимание, чтобы нержавейка по химической стойкости была не ниже AISI 304.
Для примера хочу показать схему, которую мы разработали для одного из молочных производств.
В котельной установлены два жаротрубных паровых котла по 20т/ч. Возврат конденсата достаточно высокий – не ниже 80%. Однако, котельная готовит очень большое количество технологического ГВС. Именно на систему ГВС и было принято использовать тепло отходящих газов в конденсорах. Внизу Вы видите предложенную нами схему. Как видно из чертежа нагрев воды мы сделали через промежуточный контур (по причинам, указанным выше)
Рис.2 Схема применения конденсационного экономайзера
Конечно данная технология не подходит для каждой котельной. Но по нашему опыту в 80% случаях можно найти потоки воды для утилизации и снизить расход газа на 4% в год.