Odzysk ciepla odsoli..

Metody odzyskiwania ciepła zawartego w odsolinach
odprowadzanych z kotła parowego.
Krzysztof Szałucki
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 typu:
9
BA z ręczną nastawą ilości odprowadzanych odsolin,
9
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 typu:
9
PA uruchamiane dźwignią ręczną,
9
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 – odsolin (warunki w kotle)
hA
kJ/kg
Entalpia odsolin po rozprężaniu (warunki w rozprężaczu)
W
kJ/kg
Wartość opałowa oleju opałowego ciężkiego
η
Sprawność kotła
hp
kJ/kg
Efektywna jednostkowa zawartość ciepła w parze = entalpia
pary wytwarzanej w kotle parowym – entalpia wody w
odgazowywaczu
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
10 bar
Powrót kondensatu
Zbiornik wody
zasilającej z
odgazowywaczem
termicznym
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 = 789,00 kJ/kg
hA = 466,45 kJ/kg
Q = 1400 • (789,0 - 466,45) = 451570 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 = 451570 / 2227 = 202,77 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 = 451570 / 22340 = 193,0 kg/h
hp = h” – hwz = 2780 – 440 = 2340 kJ/kg
(h”10bar i ts = 2780 kJ/kg, hwz; 0,2bar i ts = 440 kJ/kg)
Ponieważ kocioł pracuje 16 godzin dziennie przez 250 dni w roku oznacza to, iż
oszczędzamy 772 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 2340 kJ/kg ilość paliwa można wyznaczyć
w oparciu o wzór:
moleju
1000 • hp
1000 • 2340
= ---------------- = ------------------- = 68,8 kg oleju / t pary
W•η
40000 • 0,85
Przy cenie 700 PLN za 1t oleju opałowego ciężkiego możemy określić ile kosztuje
wyprodukowanie tony pary w opisanej powyżej kotłowni parowej:
68,8 • 700 / 1000 = 48,2 PLN / t pary
Biorąc pod uwagę oszczędność roczną 772 t/rocznie pary świeżej na skutek
wykorzystania pary z rozprężania odsolin, możemy określić wysokość
oszczędności finansowych:
772 • 48,2 = 37210 PLN/rocznie
Kondensat odzyskiwany dzięki wykorzystaniu pary z rozprężania odsolin w ilości
202,77 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 : 202,77 • 16 • 250 =
811 t/rok. Cena 1 tony wody uzupełniającej może być w przybliżeniu określona
w wysokości 10 PLN (zależnie od metody uzdatniania wody).
811 • 10 = 8110 PLN / rocznie
Odsoliny odprowadzane ze zbiornika rozprężacza w ilości 1197,23 kg/h
(1400 kg/h całkowitej ilości odsolin – 202,77 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 (bez uwzględnienia zawartości soli)
Q = (1400-202,77) • 4,19 • (111,37 - 40) = 358020 kJ/h
Oznacza to oszczędności pary świeżej w wysokości
358020 / 2340 = 153,0 kg/h.
Co przy pracy kotła 16 godzin dziennie przez 250 dni w roku da nam
oszczędności pary w wysokości 612 t pary rocznie. Oszacowany koszt pary w
wysokości 48,2 PLN/t pary umożliwia określenie finansowych oszczędności na
kwotę
612 • 48,2 = 29498 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
8110 PLN / rok
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
Inne
metody
odzyskiwania
ciepła
odprowadzanych z kotła parowego.
37210 PLN / rok
zawartego
29498 PLN / rok
74818 PLN / rok
w
odsolinach
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.
Krzysztof Szałucki
ul. Działyńskiego 1 B / 18
80-041 Gdańsk
tel/fax 0-58 3069292 tel.kom. 0-602614535
www.republika.pl/kszalucki
mailto: [email protected]