odzysk ciepla z odso..

o.o.
mgr inż. Krzysztof Szałucki
Metody odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach odprowadzanych z kotła parowego.
Wstęp.
Użytkownicy kotłowni parowych mogą oszczędzać energię poprzez wykorzystanie
specyficznych cech konstrukcyjnych systemu parowego. Dotyczy to między innymi
systemów odsalania ciągłego i odmulania okresowego kotłów parowych. Celem niniejszego opracowania jest przedstawienie metod obliczeniowych opłacalności zastosowania systemów odzysku ciepła odsolin i odmulin oraz propozycja metod (rozwiązań konstrukcyjnych) systemów odzysku ciepła.
Odsalanie ciągłe kotła parowego.
Podczas procesu produkcji pary w kotle parowym odparowuje i jest odprowadzana z
kotła praktycznie czysta woda. Oznacza to znaczny i stały wzrost koncentracji soli w
wodzie kotłowej w funkcji czasu i ilości pary pobieranej z kotła. Zawartość soli w wodzie kotłowej zależy również od jakości i metody uzdatniania wody zasilającej i uzupełniającej. Jest niezwykle ważne, aby zawartość soli w wodzie kotłowej nie przekroczyła wartości dopuszczalnej określanej zazwyczaj przez producenta kotła dla danego typu kotła parowego. Nadmierna ilość soli w wodzie kotłowej może doprowadzić
do silnego pienienia się wody i plucia kotła pianą do rurociągów pary. Piana i woda
kotłowa przedostająca się do rurociągów parowych powoduje ich zanieczyszczanie
odkładającym się kamieniem kotłowym, co może doprowadzić do szybkiego zniszczenia zainstalowanego za kotłem wyposażenia rurociągów parowych.
Zawór odsalający BAE
Zawór odmulający MPA
Rysunek 1 - Kocioł parowy z systemem automatycznego odsalania i odmulania.
Zawory odsalania ciągłego oferowane przez firmę GESTRA Polonia typu:
!
BA z ręczną nastawą ilości odprowadzanych odsolin,
!
BAE wyposażone w siłownik elektryczny zapewniający uzyskanie optymalnej
nastawy ilości odprowadzanych odsolin,
zostały skonstruowane specjalnie do dla odprowadzania gorącej wody kotłowej o dużej zawartości soli.
Rysunek 2 - Zawór odsalający BAE
Odsoliny odprowadzane z kotła poprzez zawór odsalania ciągłego charakteryzują się
znaczną zawartością ciepła. Ciepło to może być wykorzystane w procesie termicznego odgazowania wody zasilającej lub dla podgrzewu wstępnego dowolnego czynnika. Z ekonomicznego i ekologicznego punktu widzenia zrzucanie do kanalizacji odsolin o dużej zawartości niewykorzystanego ciepła nie może być tolerowane.
Odmulanie okresowe kotła parowego.
To samo dotyczy pewnego zakresu odmulania okresowego kotłów parowych, realizowanego dla odprowadzania cząstek stałych i szlamów, aby zapobiec ich gromadzeniu na dnie kotła. Szlam powstaje na skutek dodawania fosforanów do wody zasilającej kocioł w procesie uzdatniania i należy go usuwać z ustaloną regularnością
okresów przez otwieranie zaworu odmulania okresowego.
Rysunek 3 - Zawór odmulający MPA
Zawory odmulania okresowego oferowane przez firmę GESTRA Polonia typu:
!
PA uruchamiane dźwignią ręczną,
!
MPA wyposażone w siłownik pneumatyczny zapewniający uzyskanie cykliczności procesu odmulania,
zostały skonstruowane specjalnie do dla krótkotrwałego i gwałtownego zrzucania
wody kotłowej o bardzo dużej zawartości części stałych i szlamów.
W przypadku odmulania okresowego również możliwe jest odzyskanie ciepła traconego z odmulinami odprowadzanymi z kotła parowego. Nie jest to zalecane ze
względu na bardzo krótki 3-4 sekundowy czas otwarcia zaworu realizowany kilka razy w ciągu doby. Może to doprowadzić do powstania chwilowych gwałtownych wzrostów (pików) ciśnienia w systemie.
Określenie ilości odprowadzanych odsolin i odmulin z kotła parowego.
Dla zaprojektowania systemu odzysku ciepła zawartego w odsolinach lub odmulinach
w pierwszym kroku należy określić w przybliżeniu ilości odprowadzanego czynnika.
W tym celu można wykorzystać następujący wzór określający procentowy udział odsolin w wydajności kotła parowego:
1
A = ----------------------- •100 %
Swk -Swu
1+ --------------(1-ϕ) • Swu
gdzie:
ϕ
współczynnik określający ilość kondensatu powracającego w stosunku do ilości produkowanej pary,
Swu zawartość soli w uzdatnionej wodzie uzupełniającej w mg/l,
Swk wymagany poziom zawartości soli w wodzie kotłowej w mg/l.
Ilość odmulin z odmulania okresowego można wyznaczyć w oparciu o wykresy wydajności zamieszczone w kartach katalogowych zaworów odmulających typu PA i
MPA.
Przykład obliczeń opłacalności zastosowania systemu odzysku ciepła zawartego w odsolinach.
Objaśnienia stosowanych symboli.
Symbol Jednostka Objaśnienie
Q
kJ/h
Ciepło odzyskiwane
mA
kg/h
Natężenie przepływu odsolin
mApar
kg/h
Natężenie przepływu pary wtórnej z rozprężania odsolin
r
kJ/kg
Ciepło parowania (kondensacji)
hwk
kJ/kg
Entalpia wody kotłowej (ciepło właściwe wody kotłowej)
hA
kJ/kg
Entalpia odsolin (ciepło właściwe odsolin)
W
kJ/kg
Wartość opałowa oleju opałowego ciężkiego
Sprawność kotła
η
hp
kJ/kg
Efektywna zawartość ciepła w parze
moleju
kg
Ilość zużywanego oleju opałowego
Założenia.
Kotłownia parowa z dwoma trójciągowymi kotłami parowymi o wydajnościach 10t/h
pary nasyconej każdy i ciśnieniu roboczym 10barg. Kotły opalane są olejem opałowym ciężkim i pracują 16 godzin dziennie w ciągu 250 dni rocznie. Oba kotły wyposażone są w napędzane elektrycznie zawory odsalające typu BAE z odpowiednią automatyką sterującą zapewniającą właściwą kontrolę poziomu soli w wodzie kotłowej.
Odsoliny rozprężają się z 10barg do 0,5 barg i są odprowadzane do zbiornika rozprężacza odsolin. Para wtórna powstająca z rozprężania odsolin w zbiorniku rozprężacza doprowadzana jest do odgazowywacza zbiornika wody zasilającej, gdzie oddaje ciepło parowania (kondensacji) i jako kondensat powraca do systemu.
0,5 bar
Para świeża
pary Zbiornik wody zasilającej z odgazowywaczem termicznym
10 bar
Powrót kondensatu
Para z rozprężania
odsolin
Zawór odsalający
Zawór odsalający
Rozprężacz odsolin
Pompy zasilające
Wymiennik ciepła
Ze stacji uzdatniania wody
Rysunek 4 - System odzysku ciepła odsolin - według wymienionych założeń.
Ciśnienie robocze w systemie odzysku ciepła odsolin jest zawsze niższe niż ciśnienie
w kotle parowym. Dzięki temu podczas prowadzenia procesu odsalania kotła parowego powstaje para wtórna z rozprężania odsolin, której ciepło parowania (kondensacji) możemy wykorzystać niezależnie od wykorzystania ciepła zawartego w cieczy.
Odsoliny gromadzą się w dolnej części rozprężacza odsolin i są z niego odprowadzane poprzez odwadniacz pływakowy do podgrzewacza wstępnego wody uzupełniającej. Odsoliny oddając w wymienniku ciepło schładzają się, a woda uzupełniająca
ulega podgrzaniu zmniejsza to zużycie pary świeżej doprowadzanej dla podgrzania
wody w zbiorniku wody zasilającej oraz w procesie odgazowania.
Zawartość soli w wodzie uzupełniającej wynosi Swu = 1678 mg/l , a limit określony
przez producenta kotła parowego dla zawartości soli w wodzie kotłowej wynosi Swk =
6000 mg/l . Współczynnik określający ilość kondensatu powracającego w stosunku
do ilości produkowanej pary wynosi 0,8 tj. 20% wody uzupełniającej doprowadza się
przeciętnie do systemu.
Obliczenia.
Procentowy udział odsolin w wydajności kotła parowego wynosi:
1
A = ---------------------------- • 100 = 7%
6000-1678
1+ -------------------(1-0,8) • 1678
W przypadku łącznej wydajności dwóch kotłów równej 20t/h oraz procentowego
udziału odsolin w wydajności kotła parowego równego 7%, otrzymujemy łączny dla
dwóch kotłów masowy przepływ odsolin w wysokości mA = 1400 kg/h.
Ponieważ odprowadzane z kotła odsoliny rozprężają się od ciśnienia 10bar do ciśnienia 0,5 bar, powstaje para z rozprężania odsolin. Ilość powstającej pary z rozprężania można wyznaczyć w oparciu o obliczenia ilości ciepła uwalnianego w procesie
rozprężania odsolin.
Q = mA • (hwk - hA)
hwk = 708,90 kJ/kg
hA = 466,45 kJ/kg
Q = 1400 • (708,9 - 466,45) = 339430 kJ/h
Ilość odparowującej wody w procesie rozprężania odsolin do ciśnienia 0,5 bar można
wyznaczyć w oparciu o wzór:
mApar = Q / r
r = 2227 kJ/kg (0,5 barg)
mApar = 339430 / 2227 = 152,42 kg/h
Jeżeli wykorzystamy powstającą parę z rozprężania odsolin w systemie parowym np.
do podgrzewu i odgazowania wody zasilającej, to zmniejszymy zużycie pary świeżej
o wartość:
mp = Q / hp = 339430 / 2780 = 122,1 kg/h
hp = 2780 kJ/kg
Ponieważ kocioł pracuje 16 godzin dziennie przez 250 dni w roku oznacza to, iż
oszczędzamy 488 t/rocznie pary świeżej dzięki wykorzystaniu pary z rozprężania
odsolin.
Zakładając wartość opałową oleju opałowego ciężkiego na poziomie 40000 kJ/kg
oraz sprawność kotła w wysokości η = 85 %, to przy efektywnej zawartości ciepła w
parze 10 bar o wartości 2780 kJ/kg ilość paliwa można wyznaczyć w oparciu o wzór:
moleju
1000 • hp
1000 • 2780
= ---------------- = ------------------- = 81,8 kg oleju / t pary
W•η
40000 • 0,85
Przy cenie 550 PLN za 1t oleju opałowego ciężkiego możemy określić ile kosztuje
wyprodukowanie tony pary w opisanej powyżej kotłowni parowej:
81,8 • 550 / 1000 = 45 PLN / t pary
Biorąc pod uwagę oszczędność roczną 488 t/rocznie pary świeżej na skutek wykorzystania pary z rozprężania odsolin, możemy określić wysokość oszczędności finansowych:
488 • 45 = 21960 PLN/rocznie
Kondensat odzyskiwany dzięki wykorzystaniu pary z rozprężania odsolin w ilości
152,42 kg/h w procesie odgazowania termicznego umożliwia ograniczenie ilości wody uzupełniającej wprowadzanej do systemu parowego, to oznacza uzyskiwanie dalszych oszczędności. Kocioł pracuje 16 godzin dziennie przez 250 dni w roku, co
oznacza oszczędność kondensatu w ilości : 152,42 • 16 • 250 = 610 t/rok. Cena 1
tony wody uzupełniającej może być w przybliżeniu określona w wysokości 6 PLN (zależnie od metody uzdatniania wody).
610 • 6 = 3660 PLN / rocznie
Odsoliny odprowadzane ze zbiornika rozprężacza w ilości 1247,58 kg/h (1400 kg/h
całkowitej ilości odsolin - 152,42 kg/h pary powstającej z rozprężania odsolin) i temperaturze 111,37°C wprowadzane są do podgrzewacza wstępnego wody uzupełniającej dodawanej do zbiornika wody zasilającej. Maksymalna temperatura odsolin odprowadzanych do kanalizacji nie powinna przekraczać 40°C. Wykorzystując poniższy
wzór można obliczyć, ile pary świeżej można zaoszczędzić przez wykorzystanie ciepła zawartego w rozprężonych odsolinach w podgrzewaczu wstępnym wody uzupełniającej. Ilość wykorzystywanego ciepła można określić:
Q = (mA - mApary ) • c • ( t1 - t2 )
c
ciepło właściwe wody 4,19 kJ/kg•K przy 111°C (bez uwzględnienia zawartości
soli)
Q = (1400-152,42) • 4,19 • (111,37 - 40) = 373077 kJ/h
Oznacza to oszczędności pary świeżej w wysokości 373077 / 22780 = 134,2 kg/h.
Co przy pracy kotła 16 godzin dziennie przez 250 dni w roku da nam oszczędności
pary w wysokości 537 t pary rocznie. Oszacowany koszt pary w wysokości 45 PLN/t
pary umożliwia określenie finansowych oszczędności na kwotę 24165 PLN/rocznie.
Podsumowując oszczędności uzyskiwane przez zastosowanie proponowanego systemu dla kotłowni z dwoma kotłami uzyskujemy wynik :
Oszczędności z wykorzystania pary z rozprężania odsolin
Oszczędności wynikające z odzysku kondensatu
21960 PLN / rok
3660 PLN / rok
Oszczędności wynikające z odzysku ciepła rozprężonych odsolin
24165 PLN / rok
Łączna kwota oszczędności uzyskana w wyniku zastosowania proponowanego systemu odzyskiwania ciepła zawartego
w odsolinach odprowadzanych z kotłów parowych
49785 PLN / rok
Inne metody odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach odprowadzanych z
kotła parowego.
Zawór odsalający
Nieregulowany podgrzewacz wstępny
Do podgrzewacza końcowego
Zawór odmulający
Zrzut
Rysunek 5 - mieszanina pary z rozprężania i odsolin doprowadzana jest do nieregulowanego
podgrzewacza wstępnego, gdzie część ciepła zawartego w parze z rozprężania i odsolinach
jest przekazywana oraz wykorzystywana do podgrzewu czynnika np. olej lub woda.
Rurociąg pary 2bar
Zawór odsalający
Rozprężacz odsolin
Podgrzewacz ostateczny
Zrzut
Nieregulowany podgrzewacz wstępny
Rysunek 6 - odsoliny rozprężają się w rozprężaczu odsolin, a para powstająca podczas rozprężania wprowadzana jest do niskociśnieniowego systemu parowego. Odsoliny z rozprężacza
przepływają do podgrzewacza wstępnego, gdzie odbierane jest ciepło w nich zawarte.
Zbiornik wody zasilającej
z odgazowywaczem
Para świeża
Rozprężacz odsolin
Częściowy schładzacz
odsolin
Zawór odsalający
Schładzacz
mieszający
Ze zbiornika wody
zasilającej
Zawór odmulający
Woda chłodząca
Rysunek 7 - para z rozprężania odsolin i część ciepła odsolin po rozprężeniu wykorzystywana
jest w procesie podgrzewania termicznego odgazowania wody zasilającej.
Podsumowanie.
W opracowaniu przedstawione zostały korzyści ekonomiczne wynikające z zastosowania systemów odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach, jednakże pamiętać
należy, że zalety ekonomiczne rozwiązania to nie wszystko. Ograniczenie zużycia
paliwa prowadzi nie tylko do osiągnięcia wymiernych efektów finansowych, prowadzi
również do zmniejszenia degradacji środowiska.
Współcześnie coraz większą wagę przykłada się do korzystnego ekonomicznie i ekologicznie wykorzystania ciepła odpadowego (traconego) w systemach. W przeszłości
ekologiczne aspekty wprowadzane do systemów cieplnych uważano za przeciwne
celom ekonomicznym, dzisiaj dzięki szerszemu pojmowaniu wpływu człowieka na
środowisko potrafimy łączyć oba te aspekty oraz stosować optymalne z obu względów rozwiązania.
Inżynierowie zajmujący się systemami parowymi w firmie GESTRA Polonia z przyjemnością służą pomocą w projektowaniu i realizacji Państwa specyficznych systemów odzysku ciepła odpadowego.