Реализация надежной и проверенной технологии полного использования теплоты сгорания топлива позволяет владельцам паровых и водогрейных котельных уменьшить эксплуатационные затраты и внести свой вклад в снижение техногенной нагрузки на окружающую среду, в частности, в сокращение эмиссии в атмосферу СО2. При существующем уровне мировых цен на топливо постоянное применение данных решений позволяет окупить дополнительные затраты менее чем за два года.
Значение вида топлива
Когда сравниваются характеристики привычных топлив, значимых для реализации конденсационной технологии, природный газ обеспечивает наибольшую рентабельность (табл.). Он характеризуется самыми высокими содержанием влаги в продуктах сгорания, температурой образования (точка росы) и значением рН конденсата.
Продукты сгорания природного газа почти не содержат сажи и серы. Это значительно сокращает расходы на очистку загрязненных поверхностей нагрева. Кроме того, поскольку значение рН конденсата из продуктов сгорания природного газа выше, чем в случае со сжиганием жидкого топлива EL (марка котельного топлива по DIN-1603. – Ред.), то меньше затрат требуется и на его нейтрализацию. В то же время на практике доказана возможность реализации конденсационной технологии при сжигании в котлах жидкого топлива с низким содержанием серы, рынок которого растет.
Низкое – не более 0,005 % по массе (для сравнения: у топлива марки EL аналогичный показатель – 0,2 %) – содержание серы в жидком топливе обеспечивает его сгорание без образования сажи и углеводородного остатка. Конечно, десульфуризация как дополнительный этап процесса производства топлива с низким содержанием серы приводит к его удорожанию. Однако это с запасом компенсируется увеличением КПД установки и связанной с этим экономией топлива.
Условия. Преимущества. Реализация
Для полного использования теплоты сгорания топлива водяные пары, образующиеся при его сжигании, должны быть сконденсированы путем охлаждения дымовых газов ниже температуры точки росы. При реализации этого топливного потенциала поверхности нагрева и выходные элементы конструкции котельной установки, соприкасающиеся с влажными продуктами сгорания, должны быть выполнены из коррозионно-стойкой стали.
Охлаждение дымовых газов ниже точки росы осуществляется в соответствующих теплообменниках циркуляционной водой с минимально возможной температурой. На рис.1 показано влияние температуры обратной воды на количество сконденсированных водяных паров и достигаемый КПД котла, работающего на природном газе марки H при коэффициенте избытка воздуха 1,1.
На рис. 2 в качестве примера приведены графики (зависимость от нагрузки) КПД котла Unimat в различных вариантах комплектации теплообменником и с разной температурой воды на входе. В сравнении с традиционными, котлы, конструкция которых реализует конденсационную технологию, позволяют уменьшить потребление топлива (то есть затраты на него) и выбросы вредных веществ более чем на 10 %.
Конденсационные котлы сравнительно малых мощностей обычно полностью выполняют из нержавеющей стали. По ряду технических особенностей и высокой стоимости такого решения оно не реализуется в конструкциях крупных водогрейных котлов.
Для полного использования теплоты сгорания такие установки оснащаются специальными встроенными или отдельно стоящими (рис. 3, 4) теплообменниками, выполненными из нержавеющей стали.
Полная утилизация тепла продуктов сгорания в паровых котельных установках осуществляется по двухступенчатой схеме. При этом их оборудуют не встроенными, а отдельно стоящими экономайзерами.
Конденсация в водогрейных котельных
Достижимый объем использования теплоты сгорания топлива зависит от системы отопления, её рабочих температур. Базовое условие применения технологии – прямая циркуляция нагреваемой воды через котел и контуры потребителей. Кроме того, контроллер котла должен поддерживать функцию погодозависимого регулирования температуры котловой воды.
Новые низкотемпературные системы отопления, включающие «теплый пол» и отопительные приборы с развитыми поверхностями нагрева, позволяют осуществлять работу котла в конденсационном режиме на протяжении всего года.
Если давно эксплуатирующиеся системы оборудованы отопительными приборами с высокой теплоотдачей и «выдают» необходимую тепловую мощность при пониженных рабочих температурах, б`ольшую часть отопительного сезона они также пригодны для использования с конденсационными котлами.
Работа котла в конденсационном режиме возможна и в случае низкотемпературных отопительных систем, проектируемых для мягких климатических зон.
Снижение тепловых потерь эксплуатирующихся зданий за счет их утепления также позволяет понизить температуру теплоносителя, чтобы б`ольшую часть года котельное оборудование работало в режиме конденсации.
Водогрейные котлы высокого давления, вырабатывающие тепло для технологических процессов или тепловых систем с большой протяженностью теплотрасс первичного контура, в большинстве своем работают с температурой «обратки», значительно превышающей точку росы. И в этом случае конденсационная технология не может быть применена. Однако и при использовании экономайзеров в «сухом» режиме КПД котла может достигать 98 %.
На рис. 5 показан пример гидравлической обвязки водогрейного котла фирмы Loos со встроенным конденсационным теплообменником.
Как уже говорилось, наиболее полная утилизация теплоты сгорания топлива достигается, когда температура обратного потока предельно низка. Однако на входе в котельный блок температура теплоносителя не должна быть ниже определенного значения. Поэтому в схеме предусмотрен узел на базе трехходового клапана, смешивающий подаваемую в котел воду «обратки» с прямым потоком воды до достижения температуры на входе непосредственно в котел выше точки росы дымовых газов (иначе выпадение конденсата будет вызывать коррозию стального котла). Специальный инжектор в верхней части корпуса обеспечивает эффективное смешение воды и ее проток через котел. Применяемые горелки должны соответствовать задаче поддержания работы котла в низкотемпературном режиме.
Конденсация в паровых котельных
Паровые котлы, температура теплоносителя на выходе которых составляет обычно 150–200 °C, получают питательную воду от установки термической деаэрации с температурой 85–105 °C. Температура продуктов сгорания паровых котлов находится в диапазоне 230–280 °C. Для нагрева питательной воды с целью уменьшения потерь тепла с продуктами сгорания используют экономайзеры. В этих аппаратах продукты сгорания охлаждаются до температуры приблизительно 130 °C, которая находится в «сухом» (выше точки росы) диапазоне температур.
Такая концепция не допускает полного использования теплоты сгорания топлива. Реализация конденсационной технологии возможна при организации в паровых котлах высокого давления второй ступени теплообмена для теплоснабжения низкотемпературных потребителей (рис. 6). Конденсатор выполняется из нержавеющей стали, как и все остальные элементы газового тракта, находящиеся ниже него по ходу продуктов сгорания, и дренажные трубопроводы.
На рис. 8 показан пример теплового баланса парового котла высокого давления с интегрированным теплообменником для предварительного подогрева питательной воды и теплообменником-конденсатором для предварительного подогрева технической или подпиточной воды. Конвективные и радиационные потери тепла котла, экономайзера и трубопроводов, как и часть тепла конденсации продуктов сгорания, не могут быть использованы по чисто физическим причинам (связано с размерами поверхностей нагрева) и остаются составляющими тепловых потерь.
Газоходы. Дренирование. Нейтрализация
Все элементы газового тракта, находящиеся в контакте с конденсатом, должны быть нечувствительными к воздействию влаги продуктов сгорания и выполняться из коррозионно-стойких материалов.
Благодаря глубокому охлаждению продуктов сгорания их температура на выходе из установки уменьшается приблизительно до 50 °С. Стволы дымовых труб стандартного исполнения не рассчитаны на работу при отрицательном давлении в газовом тракте. Поэтому газовый тракт, включая дымовую трубу, должен проектироваться для работы с повышенным давлением со стороны продуктов сгорания, что способствует уменьшению его поперечного сечения. Горелка или дутьевой вентилятор котла подбираются таким образом, чтобы скомпенсировать все сопротивления в газовом тракте – вплоть до дымовой трубы. Это требует целевого планирования, мониторинга и координации проекта.
Конденсационный теплообменник, газоходы и дымовая труба котельной, работающей в режиме конденсации, должны быть оснащены системой дренажей для отвода конденсата. Теоретическое количество конденсата, образующегося из продуктов сгорания различного топлива, приведено в табл., реальные объемы зависят от температуры конденсации и, как правило, находятся в диапазоне от 40 до 60 % указанных значений.
Значение рН конденсата продуктов сгорания при сжигании природного газа составляет 2,8–4,9, а при сжигании жидких топлив с низким содержанием серы - 1,8–3,7. То есть речь идет о кислой среде, любые дальнейшие действия с которой требуют ее предварительной обработки.
Небольшие предприятия используют для нейтрализации конденсата сменные блоки с гранулированным доломитовым наполнителем, а на крупных объектах применяют технологию дозирования каустической соды (устройства жидкой нейтрализации).
Оценка экономической эффективности технологии
При сравнении инвестиций в обычный водогрейный котел и котел со встроенным конденсационным экономайзером необходимо принять во внимание следующие аспекты:
затраты на интегрированный экономайзер из нержавеющей стали, двухтопливные горелки с байпасом и элементы гидравлической обвязки;
затраты на дренирование и нейтрализацию конденсата для установок мощностью выше 200 кВт;
в случае необходимости – затраты на дренажные системы из нержавеющей стали; в большинстве случаев дымовая труба также выполняется из этого материала.
Как правило, дополнительных затрат на горелочное устройство не требуется. Увеличение сопротивления со стороны продуктов сгорания компенсируется уменьшением расхода продуктов сгорания в связи с экономией топлива.
Дополнительные затраты для водогрейного котла мощностью 2,5 МВт с интегрированным экономайзером составляют около 20 тыс. евро – при сравнении с обычным водогрейным котлом (соответственно без дымовой трубы).
В странах Западной Европы, где стоимость природного газа составляет в среднем 40 евроцентов/м3, такие инвестиции окупятся приблизительно за 4200 ч работы котла на средней нагрузке 60 %. Расчеты показывают увеличение КПД для установок с утилизацией полной теплоты сгорания топлива на 7,5 %.
