Ключом к успешному проекту рекуперации отработанного тепла является оптимизация использования утилизированной энергии. Установив конденсационный экономайзер, компании могут улучшить общую эффективность утилизации тепла и паровой системы до 10%. Хотите узнать, какого результата можно достичь на вашем предприятии? Считайте вместе с нами.
Конденсационные экономайзеры требуют разработки и проектирования с учетом специфики места работы, а также четкого понимания того, как установка экономайзера влияет на действующую паровую систему и систему химводоподготовки.
Обычный экономайзер питательной воды снижает потребность в топливе для парового котла, передавая тепло от дымовых газов к питательной воде. Для использующих в качестве топлива природный газ котлов наименьшая температура, до которой могут быть охлаждены дымовые газы, составляет примерно 120 °С. Это позволяет избежать конденсации и возможной коррозии дымохода или его внутреннего покрытия.
Конденсационный экономайзер улучшает рекуперацию отработанного тепла путем охлаждения дымовых газов до температуры ниже точки росы, что для продуктов сгорания природного газа составляет примерно 55 °С.
Экономайзер утилизирует как полезное тепло от дымовых газов, так и скрытую теплоту конденсации паров, содержащихся в дымовых газах (см. Таблицу 1). Все углеводородные виды топлива выделяют значительное количество водяного пара в качестве побочного продукта сгорания.
Таблица 1. Эффективность котла с конденсационным экономайзером
В приведенном ниже уравнении показаны реагенты и продукты сгорания для стехиометрического сжигания в воздухе метана (CH4), который является основным компонентом природного газа. При сгорании одной молекулы метана образуются две молекулы воды в виде пара. При преобразовании молей в г/моль мы обнаруживаем, что каждый грамм сжигаемого метанового топлива дает 2,25 грамма водяного пара, что составляет около 12% от общей массы дымовых газов.
Поскольку высшая теплотворная способность метана составляет 55,5 МДж/кг, для производства энергии в 1 гДж требуется 19 кг метана, что приводит к образованию 42 кг высокотемпературного водяного пара. Скрытая теплота испарения воды при атмосферном давлении составляет 2,257 МДж/кг.
В дымоход котла выводится 94 МДж (0,09 МВт*ч) теплоты испарения водяного пара (42кг х 2,257МДж/кг). Эта скрытая теплота составляет примерно 9% от исходного содержания энергии в топливе. Основная часть этой скрытой теплоты может быть восстановлена путем охлаждения выхлопного газа до температуры ниже точки росы с использованием конденсационного экономайзера прямого или непрямого действия. Можно нагревать воду примерно до 90 °С с помощью экономайзера непрямого действия или до 60 °С с помощью экономайзера прямого действия.
Считаем экономию
Доступное тепло в дымовых газах котла зависит от содержания водорода в топливе, скорости горения топлива, процента избыточного кислорода в топливной смеси с воздухом и температуры дымовых газов.
Рассмотрим котел на природном газе, который вырабатывает 40 т/ч насыщенного пара при давлении 7 бари. При КПД 83% полная тепловая мощность котла составляет около 30 МВт.
На максимальной тепловой мощности котел потребляет более 1945 кг (или примерно 2,5 тыс.нм³) природного газа в час (плотность 0,781 кг/м³), при этом выделяя 4374 кг высокотемпературного водяного пара в час. Содержащийся в дымовом газе водяной пар содержит более 2,7 МВт*ч скрытой теплоты. Как показано в таблице 2, общее количество тепла, фактически доступное для извлечения, сильно зависит от температуры дымовых газов на выходе из конденсаторного экономайзера.
Предположим, что на этом паровом котле емкостью 40 т/ч установлен конденсационный экономайзер непрямого действия. Котел используется для нагрева 50% подпиточной воды с 15 °С до 95 °С, а дымовых газов — до 40 °С. В этих условиях в уходящих газах содержится суммарная энергия 3,3 МВт*ч, из которых 1,95 МВт*ч будет извлечено для нагрева подпиточной воды в конденсационном экономайзере. Можно восстановить больше энергии, если имеются дополнительные радиаторы.
При условии 8000 часов работы в год котла и стоимости природного газа 5 руб*/нм³ (плотность 0,781 кг/м³), ежегодная экономия энергии составит:
Экономия расхода природного газа
= 1,95 МВт*ч х 3600 / 55,5 МДж/кг / 0,781 кг/м³ / 0,83 (КПД)
= 196 нм³/ч,
Экономический эффект в денежном выражении
= 196 нм³/ч х 8000 ч/год х 5 руб./нм³ = 7840 тыс.руб./год.
Таблица 2. Энергия, содержащаяся в уходящих газах парового котла на 40 т/ч, работающего на природном газе, МВт*ч
Примечание: пример в таблице 2 предполагает 83% эффективность выработки пара при сжигании топлива, 4% избытка кислорода, температуру дымовых газов после экономайзера питательной воды 150 °С, величину продувки 4% и температуру питательной воды котла 125 °С. Температура подпиточной воды составляет 15 °С.
* используйте в расчете тариф региона, чтобы рассчитать потенциал экономии на вашем предприятии.
Примеры
Система централизованного теплоснабжения
В котельной установке, вырабатывающей до 230 т/ч пара для системы централизованного теплоснабжения, установлен экономайзер прямого действия. Этот экономайзер позволяет экономить до 6 МВт*ч, в зависимости от нагрузки на котел.
Поскольку конденсат из системы централизованного теплоснабжения не возвращается, утилизированная энергия используется для предварительного подогрева подпиточной воды с температуры 7-15°С до температуры 55 °С, что приводит к повышению энергоэффективности паровой системы на 6,3%.
Завод по производству пищевых продуктов
На заводе по производству пищевых продуктов был установлен экономайзер непрямого действия на паровой котел производительностью 9 т/ч. Конденсационный экономайзер уменьшил температуру дымовых газов с 150 °С до 50 °С, при этом получив 0,6 МВт*ч полезной и скрытой теплоты. Энергия, восстанавливаемая конденсационным экономайзером, нагревается подпиточной водой, что позволяет снизить требования к количеству пара из деаэратора с 2,3 т/ч до 0,7 т/ч.
Руководство к действию
- Определите мощность вашего котла, среднюю выработку пара, эффективность процесса сжигания топлива, температуру дымовых газов, количество часов работы в год и годовой расход топлива.
- Выявите внутризаводские способы использования нагрева воды, например: нагрев воды для котла, подогрев, условия нагрева воды на бытовые или технологические нужды.
- Определите теплотехнические условия, которые могут быть достигнуты при установке конденсационного экономайзера. Определите ежегодную экономию тепловой энергии и денежных средств.
- Выполните смету затрат и рассчитайте рентабельность установки конденсационного экономайзера. Убедитесь в том, что оценены изменения в системе, и проект включает в себя всё необходимое вспомогательное оборудование (например, туманоуловитель, дополнительная очистка воды, теплообменники). Срок окупаемости проектов с использованием конденсационного экономайзера обычно составляет менее трех лет.
