PL231478B1 - Sposób i instalacja przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego - Google Patents

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i instalacja przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego.

W procesie spalania paliwa w komorze spalania kotła powstają spaliny, które na drodze promieniowania i konwekcji przekazują przenoszone ciepło do strumienia ciepłej wody lub pary w rurach ekranowych, przegrzewaczach i podgrzewaczach, czego efektem jest obniżenie temperatury spalin. Z uwagi na możliwą korozję, temperatura spalin wilgotnych odprowadzanych do otoczenia, jest utrzymywana powyżej temperatury punktu rosy, a proces ten jest źródłem straty wylotowej, która obniża sprawność kotła. W strumieniu spalin odprowadzanych do środowiska emitowane są zanieczyszczenia gazowe (m.in. gazy kwaśne) i mineralne (popiół). Znane są rozwiązania wysokosprawnych kotłów ciepłowniczych i energetycznych, w których zmniejszono stratę wylotową przez obniżenie temperatury spalin w przeponowych wymiennikach - ekonomizerach (np. spaliny-woda lub spaliny-gaz) do temperatur bezpiecznie większych od temperatury punktu rosy. Takie ograniczenie temperaturowe wynika z powszechnie stosowanych materiałów (np. stale konstrukcyjne), które mogą być zagrożone m.in. intensywną korozją wywołaną kwaśnymi gazami zawartymi w spalinach. Dalsze zmniejszenie straty wylotowej, prowadzące do powiększania sprawności kotła, można osiągnąć przez obniżenie temperatury spalin poniżej temperatury punktu rosy, co dodatkowo skutkuje wykropleniem pary wodnej, któremu towarzyszy powstanie znacznego ciepła skraplania. Dodatkowo w środowisku mokrych spalin (skropliny pary wodnej), emitowane gazy kwaśne i popiół są w wysokim stopniu wymywane ze spalin. Obniżenie temperatury spalin poniżej temperatury punktu rosy możliwe jest tylko przy zastosowaniu niskotemperaturowych mediów chłodzących spaliny, a także wymaga doboru materiałów konstrukcyjnych odpornych chemicznie (np. tworzywa sztuczne lub stałe stopowe) i wyposażenia instalacji w urządzenia zapobiegającego zestaleniu popiołu.

W dużych ciepłowniczych kotłach energetycznych, zwłaszcza na paliwa stałe, nie są stos owane przeponowe schładzacze spalin z kondensacją pary wodnej, w które wyposażane są małe kotły gazowe o wyższych temperaturach punku rosy.

Znane są z patentu PL 217 784 „Sposób i instalacja odzysku ciepła i mokrego oczyszczania spalin odprowadzanych do otoczenia...” sposób i instalacje łączące odzysk ciepła z mokrym oczyszczaniem spalin w zespole przeponowego wymiennika ciepła oraz bezprzeponowego wymiennika ciepła i masy, które implikują jednoczesny wzrost sprawności cieplnej urządzenia i zmniejszenie emisji pyłów i gazów odprowadzanych ze spalinami do środowiska z komory spalania.

Znany jest również patent PL 216 645 „Sposób i instalacja wykorzystania ciepła odpadowego odzyskiwanego w układach schładzania niskotemperaturowych spalin odprowadzanych do otoczenia...”, w którym wskazano możliwości wykorzystania odzyskanego ciepła do znacznego polepszenia sprawności wytwornicy ciepła technologicznego (kocioł, silnik Diesla, turbina gazowa lub piec przemysłowy) lub jako źródła ciepła na cele grzewcze CO/CWU.

Znacznym ograniczeniem stosowania instalacji łączącej odzysk ciepła z mokrym oczyszczaniem spalin jest dostępność taniego, niskotemperaturowego czynnika obiegowego (chłodzącego) niezbędnego do odbioru i zagospodarowania odzyskanej ze spalin mocy cieplnej i przejętej masy w zespole wymiennika przeponowego oraz bezprzeponowego.

Znane jest z polskiego zgłoszenia patentowego P.404641 „Sposób i instalacja do zwiększenia odzyskiwanej mocy cieplnej w układach schładzania spalin odprowadzanych do otoczenia” obniżan ie temperatury wody obiegowej wymiennika bezprzeponowego na drodze odparowania próżniowego połączone z wykorzystaniem odebranych oparów wody do nawilżania spalin, przed bezprzeponowym wymiennikiem ciepła i masy, prowadzącego do podwyższenia temperatury punku rosy spalin i w konsekwencji zapewniające wyższą temperaturę użyteczną obiegowej wody chłodzącej. Również znany jest z polskiego zgłoszenia patentowego P.414095 sposób intensyfikacji wykorzystania ciepła odzyskanego w układach schładzania niskotemperaturowych spalin odprowadzanych do otoczenia zwłaszcza z ciepłowniczych kotłów wodnych, polegający na tym, że pompy cieplne usuwają opary wody z próżniowego zamkniętego zbiornika, zasilanego strumieniem wody obiegowej wymiennika bezprzeponowego (skrubera) rozprężonej na zaworze redukcyjnym, do podgrzewania czynnika grzewczego przed wymiennikiem przeponowym.

W kotłach stosowany jest odgazowywacz, w którym gazy usuwane są z wody zasilającej kocioł w wyniku ogrzewania parą wodną, której ciśnienie zostało obniżone do wartości ciśnienia nasycenia

PL 231 478 B1 w odgazowywaczu w termodynamicznej przemianie dławienia pary bez wykonania pracy na zaworze redukcyjnym.

Stwierdzono nieoczekiwanie, że w kotłach możliwe jest połączenie sprzęgłem cieplnym procesu obniżania temperatury wody obiegowej schładzanej w procesie wyparnym z procesem odgazowania parą grzewczą wody zasilającej w odgazowywaczu.

Sposób przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego polega na tym, że odgazowywacz termiczny wody zasilającej kocioł parowy ogrzewa się strumieniem oparów wody, które odciąga się pompą ciepła ze zbiornika próżniowego stacji wyparnego chłodzenia wody obiegowej i końcowo spręża się w pompie ciepła do wartości ciśnienia nasycenia w odgazowywaczu termicznym.

Instalacja przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego charakteryzuje się tym, że stacja wyparnego chłodzenia czystej wody obiegowej wyposażona jest w zespół pompy ciepła połączony po stronie tłocznej rurociągiem pary grzejnej z odgazowywaczem term icznym, a po stronie ssawnej rurociągiem ze zbiornikiem próżniowym zasilanym przez zawór redukcyjny z obiegu wymiennika czystą wodą obiegową, a korzystnie jest, jeśli zespół pompy ciepła złożony jest z kilkustopniowego zespołu termosprężarek strumienicowych z pędnikami parowymi lub zamiennie korzystnie jest, jeśli zespół pompy ciepła złożony jest z bezolejowej mechanicznej pompy próżniowej i termosprężarki strumienicowej z pędnikiem parowym.

Wynalazek pozwala na znaczny wzrost sprawności cieplnej kotłowni, co implikuje oszczędności paliwa dając jednocześnie obniżenie zużycia wody uzdatnionej.

Wynalazek objaśniono w przykładzie wykonania na rysunku, który przedstawia schemat instalacji przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego.

W kotle parowym 1 na ruszcie 2 spalane jest paliwo stałe w powietrzu 3, a wytworzone ciepło poprzez powierzchnie ogrzewalne kotła generuje przegrzaną parę wodną o wysokim ciśnieniu kierowaną rurociągiem parowym 5 do odbioru technologicznego, a skroplona para wodna powrotna zasila zbiornik kondensatu 25. Natomiast strumień ochłodzonych spalin odpływa z kotła parowego 1 i po usunięciu ok. 75% popiołu w odpylaczu cyklonowym 6 dopływa do schładzającego (do temperatury powyżej punktu rosy) wymiennika przeponowego 7-1 objętego równoległym kanałem obejściowym 8 z układem przepustnic 13 przekierowujących przepływ spalin do wymiennika bezprzeponowego (skrubera) 11. W wymienniku bezprzeponowym 11 spaliny zwilżane są wytwarzanym przez pompę obiegową 15-1 przeciwprądowym strumieniem wody obiegowej skrubera 12-1, która schładza spaliny poniżej punktu rosy i w mokrym procesie wymiany masy oczyszcza spaliny z kwaśnych gazów i popiołu. Zakwaszona woda obiegowa skrubera 12-1 z zawiesiną popiołu i skroplinami pary wodnej ścieka grawitacyjnie do zbiornika 16 pod wymiennikiem przeponowym (skruberem) 11, a jej nadmiar jest odpompowywany przez pompę szlamową 17 i schładzany w wymienniku przeponowym 7-3.

Zanieczyszczona woda obiegowa skrubera 12-1 ze zbiornika 16 jest przepompowywana pompą obiegową 15-1 nawrotnie do zraszacza skrubera 11 przez schładzający wymiennik przeponowy 7-2. Czysta woda obiegowa 12-2 po podgrzaniu w obiegu chłodzącym wymiennika przeponowego 7-2 jest wykorzystana do podgrzewania wody uzupełniającej 9 w wymienniku przeponowym 7-4 (obieg pompy 15-5) i powietrza spalania w nagrzewnicach powietrza 4 (obieg pompy 15-6); stanowi również dolne źródło pompy ciepła 19 (obieg pompy 15-4), a okresowe nadmiary odzyskanego ciepła mogą być rozpraszane w chłodnicy wentylatorowej 18 (obieg pompy 15-3). Kondensat ze zbiornika kondensatu 25 podawany jest pompą 15-7 przez zawór regulacyjny poziomu 23-1 do odgazowywacza termicznego 14, w którym usuwane są gazy (w tym tlen) po podgrzaniu kondensatu przeciwprądowym strumieniem pary grzejnej 27. Strumień pary grzejnej 27 dopływa z pompy ciepła 19, której końcowy stopień wykorzystuje termosprężarkę strumienicową 20 z pędnikiem parowym 21 nastawianym zaworem regulacyjnym 23-2. W przykładzie wykonania wstępny stopień pompy ciepła 19 zbudowany jest z bezolejowej pompy próżniowej 10, która odsysa strumień oparów ze zbiornika próżniowego 22 zasilanego czystą wodą obiegową 12-2, zdławioną izentalpowo zaworem redukcyjnym 24, a schłodzona czysta woda obiegowa (obieg pompy 15-2) po uzupełnieniu wodą zdemineralizowaną 9 powraca jako czysta woda obiegowa 12-2.

Z odgazowywacza termicznego 14 wysokociśnieniowa pompa wody zasilającej 26 dostarcza wodę do obiegu parowo-wodnego kotła 1.

Wykaz oznaczeń:

1. Kocioł parowy

2. Ruszt

PL 231 478 B1

3. Powietrze do spalania

4. Nagrzewnice

5. Rurociąg parowy

6. Odpylacz cyklonowy

7. Wymiennik przeponowy

8. Kanał obejściowy

9. Woda uzupełniająca

10. Pompa próżniowa bezolejowa

11. Wymiennik bezprzeponowy (skruber)

12. Woda obiegowa

13. System przepustnic przekierowujących

14. Odgazowywacz termiczny

15. Pompa obiegowa

16. Zbiornik

17. Pompa szlamowa

18. Chłodnica wentylatorowa

19. Pompa ciepła

20. Termosprężarka strumienicowa

21. Pędnik parowy

22. Zbiornik próżniowy

23. Zawór regulacyjny

24. Zawór redukcyjny

25. Zbiornik kondensatu

26. Pompa wody zasilającej

27. Rurociąg pary grzejnej

Claims (4)

1. Zastrzeżenia patentowe

   1. Sposób przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego, znamienny tym, że odgazowywacz termiczny (14) wody zasilającej kocioł parowy (1) ogrzewa się strumieniem oparów wody, które odciąga się pompą ciepła (19) ze zbiornika próżniowego (22) stacji wyparnego chłodzenia czystej wody obiegowej (12-2) i końcowo spręża się w pompie ciepła (19) do wartości ciśnienia nasycenia w odgazowywaczu termicznym (14).
2. 2. Instalacja przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin w obiegach chłodzenia wodnego, znamienna tym, że stacja wyparnego chłodzenia czystej wody obiegowej (12-2) wyposażona jest w zespół pompy ciepła (19) połączony po stronie tłocznej rurociągiem pary grzejnej (27) z odgazowywaczem termicznym (14), a po stronie ssawnej rurociągiem ze zbiornikiem próżniowym (22) zasilanym przez zawór redukcyjny (24) z obiegu wymiennika (7-2) czystą wodą obiegową (12-2).
3. 3. Instalacja przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin według zastrz. 2, znamienna tym, że zespół pompy ciepła (19) złożony jest z kilkustopniowego zespołu termosprężarek strumienicowych (20) z pędnikami parowymi (21).
4. 4. Instalacja przejęcia ciepła odzyskanego ze spalin według zastrz. 2, znamienna tym, że zespół pompy ciepła (19) złożony jest z bezolejowej mechanicznej pompy próżniowej (10) i termosprężarki strumienicowej (20) z pędnikiem parowym (21).