Утилизация теплоты низкотемпературных дымовых газов

Проблему эффективного использования теплоты отходящих газов энергетических котлов и промышленных печей можно решить путем установки за ними контактных теплообменников с активной насадкой – КТАНов [10].

Разработана конструкция КТАНов производительностью 5,8-17,4 МВт для установки их за печами в агрегатах синтеза аммиака мощностью 1360 т/сут, и за крупными энергетическими котлами. Особенности КТАНов – организация двух потоков воды: чистой, подогреваемой через теплообменную поверхность (рис. 49), и воды, нагревающейся в результате непосредственного контакта с газами.

Рис. 49. Контактный теплообменник с активной насадкой:

1 – корпус; 2 – теплообменная поверхность; 3 – циркуляционный насос;

4 – распылитель; 5 – каплеуловитель

При этом увеличивается теплоотдача от газов к воде за счет теплообмена стекающей воды и конденсация водяных паров, содержащихся в газе. Температура нагреваемой воды в КТАНах ограничена температурой мокрого термометра дымовых газов. При сжигании газов с a = 1,0-1,5 температура мокрого термометра составляет около 80 °С. Недостатком такой конструкции является ненадежность работы распылителя при длительной эксплуатации вследствие засорения форсунок.

Для котлов ДЕ-25-ГМ разработаны контактные экономайзеры (рис. 50) с керамической насадкой (агрегат АЭ-0,6). Газы из котла поступают в контактный экономайзер в количестве 70 % от общего объема, а 30 % газов подаются мимо экономайзера. В контактном теплообменнике подогревают либо подпиточную воду, либо воду для систем горячего водоснабжения.

Достоинства контактного теплообменника:

1. Используется скрытая теплота конденсации водяных паров, при этом КПД возрастет до 95-96 %. При сжигании 1 м³ топлива дополнительно выделяется

кДж/м³. (87)

2. Происходит естественная деаэрация воды. Концентрация кислорода в воде снижается с 5-8 мг/л до 0,12 мг/л, правда, увеличивается концентрация СО₂ в воде.

Рис. 50. Контактный теплообменник с керамической насадкой:

1 – корпус; 2 – насадка из керамических колец Рашига; 3 – теплообменная поверхность;
4 – циркуляционный насос; 5 – распылитель

3. Возможен нагрев жестких вод без предварительного умягчения. Практически испарение воды отсутствует, поэтому СаSО₄ и МgSO₄ не выпадают. Увеличение концентрации СО₂ приводит к растворению образовавшихся и выпавших в осадок карбонатов из-за смещения равновесной реакции вправо: .

4. Контактные аппараты имеют малую металлоемкость из-за высоких значений коэффициентов теплоотдачи.

Особенности процессов контактного тепломассообмена

1. Температура воды ограничена значением t_м, после чего происходит только ее испарение.

2. Процесс охлаждения продуктов сгорания водой сопровождается взаимным массообменном за счет испарения либо конденсации воды.

3. Высокое значение коэффициентов теплопередачи.

4. Величина поверхности теплообмена зависит от гидродинамики потоков газа и жидкостей.

Выделяют следующие режимы работы насадки в зависимости от плотности орошения и скорости потока газа (рис. 51).

I – пленочный режим (ламинарный). Вода стекает в виде пленок, поверхность смочена не вся, интенсивность тепломассообмена низка. Точка Т – точка торможения газа, в ней пленочный режим переходит в (II) – струйно-пленочный. Аэродинамическое сопротивление насадки возрастает более резко, поверхность насадки смочена полностью. Точка П – точка начала подвисания. На нижних кольцах образуется сплошной слой воды, через который барботирует газ. Пленка на поверхности колец интенсивно турбулизируется. Точка И – точки инверсии. Вода становится сплошным потоком, газ – дисперсными. Пузыри газа проходят через слой воды, процессы тепломассообмена интенсифицируются. Режим IV – режим эмульгирования – это фактически жидкостный кипящий слой с насадкой. Это наиболее выгодный режим в контактных аппаратах. Точка З – точка захлебывания, после нее сопротивление насадки становится настолько большим, что вода выносится из насадки, и крупные пузыри газа уносят капли воды. Интенсивность тепломассообмена между газом и водой резко падает. Таким образом, оказывается, что контактные аппараты надежно работают в достаточно узком диапазоне скоростей. Доля активной поверхности y_а конвективного теплообмена зависит от соотношения чисел Рейнольдса по газу и по жидкости [11]. При доля активной поверхности составляет , при , в процессе теплообмена участвует вся поверхность.

Рис. 51. Режимы работки насадки