Metody odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach odprowadzanych z kotła parowego.

Transkrypt

1 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. BAE Zawór odmulający MPA Rysunek 1 - Kocioł parowy z systemem automatycznego odsalania i odmulania.

2 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 - 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

3 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 = % S wk -S wu (1-ϕ) S wu gdzie: ϕ współczynnik określający ilość kondensatu powracającego w stosunku do ilości produkowanej pary, S wu zawartość soli w uzdatnionej wodzie uzupełniającej w mg/l, wymagany poziom zawartości soli w wodzie kotłowej w mg/l. S wk 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 m A kg/h Natężenie przepływu odsolin m Apar kg/h Natężenie przepływu pary wtórnej z rozprężania odsolin r kj/kg Ciepło parowania (kondensacji) h wk kj/kg Entalpia wody kotłowej (ciepło właściwe wody kotłowej) h A kj/kg Entalpia odsolin (ciepło właściwe odsolin) W kj/kg Wartość opałowa oleju opałowego ciężkiego η - Sprawność kotła h p kj/kg Efektywna zawartość ciepła w parze m oleju kg Ilość zużywanego oleju opałowego

4 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. Para świeża 10 bar 0,5 bar Powrót kondensatu pary Zbiornik wody zasilającej z odgazowywaczem termicznym Para z rozprężania odsolin 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 S wu = 1678 mg/l, a limit określony przez producenta kotła parowego dla zawartości soli w wodzie kotłowej wynosi S wk = 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.

5 Obliczenia. Procentowy udział odsolin w wydajności kotła parowego wynosi: 1 A = = 7% (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 m A = 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 = m A (h wk - h A ) h wk = 708,90 kj/kg h A = 466,45 kj/kg Q = 1400 (708,9-466,45) = kj/h Ilość odparowującej wody w procesie rozprężania odsolin do ciśnienia 0,5 bar można wyznaczyć w oparciu o wzór: m Apar = Q / r r = 2227 kj/kg (0,5 barg) m Apar = / 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: m p = Q / h p = / 2780 = 122,1 kg/h h p = 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 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: 1000 h p m oleju = = = 81,8 kg oleju / t pary W η ,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

6 Biorąc pod uwagę oszczędność roczną 488 t/rocznie pary świeżej na skutek wykorzystania pary z rozprężania odsolin, możemy określić wysokość oszczędności finansowych: = 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, = 610 t/rok. Cena 1 tony wody uzupełniającej może być w przybliżeniu określona w wysokości 6 PLN (zależnie od metody uzdatniania wody) = 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 = (m A - m Apary ) c ( t 1 - t 2 ) c ciepło właściwe wody 4,19 kj/kg K przy 111 C (bez uwzględnienia zawartości soli) Q = ( ,42) 4,19 (111,37-40) = kj/h Oznacza to oszczędności pary świeżej w wysokości / = 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 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 Oszczędności wynikające z odzysku ciepła rozprężonych odsolin Łączna kwota oszczędności uzyskana w wyniku zastosowania proponowanego systemu odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach odprowadzanych z kotłów parowych PLN / rok 3660 PLN / rok PLN / rok PLN / rok

7 Inne metody odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach odprowadzanych z kotła parowego. Nieregulowany podgrzewacz wstępny Zawór odmulający Do podgrzewacza końcowego 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 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 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.

8 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.