Индустриални системи за възстановяване на топлина

• Използването на системи за възстановяване на отпадна топлина в промишлени процеси се очертава като ключов подход за намаляване на потреблението на гориво, понижаване на вредните емисии и оптимизиране на производствената ефективност
  
  
• За всеки клас топлинни загуби са налични системи за възстановяване, предоставящи оптимална ефективност за съответния температурен диапазон
  
  
• Съществуват множество различни технологии за улавяне и възстановяване на отпадна топлина, които включват предимно топлообменници

Тенденцията за повишаване на цените на горивата през последните десетилетия и увеличаващите се опасения, свързани с глобалното затопляне, изправят индустриалните предприятия пред нелеката задача да редуцират емисиите си на парникови газове и да подобрят ефективността на дейностите си. В това отношение използването на системи за възстановяване на отпадна топлина в промишлени процеси се очертава като ключов подход за намаляване на потреблението на гориво, понижаване на вредните емисии и оптимизиране на производствената ефективност.

В индустрията отпадната топлина е енергията, която се генерира в промишлените процеси и не се използва практично – губи се или се отделя в околната среда. Източници на отпадна топлина са основно топлинни загуби при пренос чрез провеждане, конвекция и излъчване от индустриални продукти, оборудване и процеси, както и топлина от горивни процеси.

Топлинните загуби могат да бъдат класифицирани като ниско-, средно и високотемпературни. За всеки клас са налични системи за възстановяване, предоставящи оптимална ефективност за съответния температурен диапазон. Високотемпературните системи са за възстановяване на отпадна топлина при температури над 400°C, среднотемпературните са с обхват 100 – 400°C, а нискотемпературните са за стойности под 100°C. Обикновено по-голямата част от отпадната топлина във високотемпературния диапазон идва от процеси на директно изгаряне, в нискотемпературния – от отработени газове от горивни агрегати, и в нискотемпературния – от детайли, продукти и оборудване.

Видове

Методите за възстановяване на отпадна топлина включват улавяне и пренос на топлината от даден процес посредством газ или течност обратно в системата под формата на допълнителен източник на топлинна енергия. Този източник може да се използва за генериране на допълнителна топлинна, електрическа или механична енергия.

Отпадна топлина може да се отдели при всякаква температура. Обикновено колкото по-висока е температурата, толкова по-високо е качеството на отпадната топлина и толкова по-лесна е оптимизацията на процеса по възстановяването й. Затова е важно да се определи максималното количество топлина с най-висок потенциал, която може да бъде възстановена от един процес, и да се гарантира постигането на възможно най-добра ефективност на системата за възстановяване. Налични са множество различни технологии за улавяне и възстановяване на отпадна топлина, които включват предимно топлообменници.

Регенеративни и рекуперативни горелки

Тези горелки оптимизират енергийната ефективност посредством топлообменни повърхности, които улавят и оползотворяват отпадната топлина от горещите отпадъчни газове от горивния процес. Обикновено регенеративните устройства се състоят от две горелки с отделни регулиращи вентили, редуващи се в подгряването на горивния въздух, постъпващ в пещта.

Системата работи чрез насочване на димните газове от пещта към камера, съдържаща труднотопим материал като алуминиев оксид. Димните газове загряват алуминиевия оксид и по този начин топлинната енергия се възстановява и съхранява. Когато средата се нагрее напълно, посоката на димните газове се обръща, като съхранената топлина се пренася към входящия в горелката въздух. Горивният въздух от нагорещената среда тогава загрява охлаждащата среда и процесът започва отначало. Чрез тази техника регенеративната горелка може да спести горивото, необходимо за загряване на въздуха, което подобрява горивната ефективност.
При рекуперативните горелки топлообменните повърхности са част от конструкцията и улавят и енергията на димните газове, и отпадната топлина от тялото на дюзата на горелката. Тази енергия се използва за подгряване на горивния въздух, което отново води до подобряване на горивната ефективност.

Икономайзери

Икономайзерите или оребрените тръбни топлообеменници възстановяват топлина при ниски до средни температури и се използват предимно за подгряване на течности. Системата се състои от оребрени тръби, които максимално увеличават повърхностната площ за поглъщане и пренос на топлина.
Тези системи се разполагат във въздуховода, пренасящ изходящите димни газове, и поглъщат отпадната топлина от тях, след което я предават на протичащата в тръбите течност. Нагрятата течност се подава обратно към системата, с което максимално се увеличава и подобрява топлинната ефективност.

Според проучвания, ако в една котелна система се използва икономайзер, той може да повиши ефективността с един процент за всеки 5°C понижение на температурата на димните газове. Това показва, че потреблението на гориво на системата може да бъде намалено с 5 – 10% с период на възвръщане на инвестицията от две години.

Предлагат се няколко различни типа икономайзери за разнообразни приложения, които обаче имат една и съща функционалност. Сред разновидностите са с оребрени тръби, спираловидно навити тръби, некондензни и кондензни икономайзери. Кондензните и некондензните видове се използват предимно за подобряване на ефективността на котелни системи, докато останалите видове обикновено се използват в топлоелектрически централи и големи преработващи инсталации за възстановяване на отпадната топлина от димните газове.

Икономайзерите за възстановяване на топлина при ниски температури са налични с тръби в изпълнение от усъвършенствани материали, като тефлон, въглеродна и неръждаема стомана, способни да издържат на акумулирането на кондензат с киселинен характер по повърхността на топлообменника. За възстановяване на топлина тип газ-газ при ниско- до среднотемпературни приложения се предлагат икономайзери със стъклени тръби.

Котли, работещи с отпадна топлина

Тези агрегати се състоят от няколко тръби, разположени успоредно една на друга в посоката, в която топлината напуска системата. Системата е подходяща за възстановяване на топлина от димни газове със средна до висока температура и се използва за генериране на пара. Впоследствие парата може да се използва за производство на електроенергия или да се насочи обратно към системата за възстановяване на топлина.

В една работеща на въглища електроцентрала например топлината, генерирана от горивния процес, след напускане на горивната камера има температура, достигаща до 1000°C. Използването на котел, работещ с отпадна топлина, в случая би позволило възстановяването и оползотворяването на топлината на димния газ за изпаряване на течност и получаване на пара, от която с помощта на турбини и генератори може да се произвежда електрическа енергия.

Налягането и дебитът на производството на пара зависят основно от температурата на отпадната топлина. Ако отпадната топлина не е достатъчно за получаването на необходимото количество пара, може да се използва спомагателна горелка за димните газове, която да компенсира това.

Котлите, работещи с отпадна топлина, могат да се комбинират с друго оборудване, например камери за доизгаряне на горивната смес, подгреватели и изпарители с оребрени тръби, за да се подобри ефективността чрез предварително подгряване на питателната вода и производство на прегрята пара при необходимост.

Въздушни подгреватели

Те се използват предимно за възстановяване на топлина тип димни газове-въздух при ниско- до среднотемпературни приложения. Системата е особено подходяща, когато трябва да се избегне кръстосано замърсяване в процеса. Такива приложения включват отработени газове от турбини и възстановяване на топлина от топилни съоръжения, пещи и парни котли.

Подгряването на въздуха може да бъде базирано на две различни конструкции – пластинчат тип и тип топлинна тръба. Пластинчатият тип се състои от успоредни една на друга пластини, разположени перпендикулярно на входния отвор за студен въздух. Горещите димни газове се подават в каналите между пластините, предавайки топлината към пластините. По този начин каналите се загряват и студеният въздух се пропуска през тях.

От друга страна, въздушните подгреватели тип топлинна тръба се състоят от сноп от няколко запечатани тръби, разположени успоредно една на друга в контейнер. Контейнерът е разделен на две секции за студен и горещ въздух, входен и изходен отвор. Тръбите в контейнера са запълнени с работен флуид, който при контакт с горещите отпадъчни газове в единия край на тръбите се изпарява и се придвижва към другия край на тръбите, където преминава студеният въздух. В резултат на това топлината се поглъща в горещия участък на тръбата и след това се предава на студения участък, загрявайки въздуха, движещ се над тръбите. След това работният флуид кондензира и се придвижва към горещия участък на тръбата, т.е. цикълът се повтаря.

Рекуператори

Рекуператорите са вид топлообменни агрегати, обикновено изработени от метални или керамични материали в зависимост от приложението им, които се използват за възстановяване на топлина от димни газове при средни до високи температури.

Горещите димни газове се пропускат през серия от метални тръби или въздуховоди, пренасящи входящ въздух от атмосферата. По този начин рекуператорът загрява входящия газ, който след това отново постъпва в системата. Това позволява понижаване на енергийните потребности и на производствените разходи.

Метални рекуператори се използват за приложения с ниски до средни температури, докато за възстановяването на топлина във високотемпературни приложения са по-подходящи керамични рекуператори. Може да се каже, че рекуператорите пренасят топлина до входящия газ основно чрез конвекция, излъчване или комбинация от излъчване и конвекция. Един излъчвателен рекуператор се състои от метални тръби, разположени около вътрешно пространство, през което преминават горещите димни газове. Студеният входящ въздух се подава към тръбите около загрятата вътрешност и топлината се излъчва към техните стени. Тръбите предават топлината на студения въздух, който след това се подава на горелките в пещта.

Конвективните рекуператори, от друга страна, обменят топлина чрез пропускане на горещите димни газове през тръби с относително малък диаметър, разположени в по-голям корпус. Студеният въздух се пропуска през корпуса и поглъща топлината от загретите от отпадъчните газове малки тръби. Комбинирането на излъчвателен с конвективен рекуператор предоставя още една възможност за максимално увеличаване на ефективността на топлопренасяне.

Регенератори

Регенераторите пренасят топлина от въздуховод за горещи газове към въздуховод за студен газ чрез съхраняване на отпадната топлина в материал с висок топлинен капацитет. Системата се състои от камера, която се използва като свързващ елемент между двата въздуховода, който отнема топлинната енергия от горещата страна, съхранява я и я предава към студената страна.

Регенеративните пещи например представляват две тухлени камери, в които горещ и студен въздух обменят топлинна енергия. При преминаването на горещите горивни газове през тухлената камера, топлината от димните газове се поглъща, съхранява и предава към студения въздушен поток, преминаващ през камерата. Потокът подгрят газ впоследствие се подава към горивната камера, редуцирайки количеството енергия, необходима за нагряване на системата.
Двете камери се използват така, че едната предава топлина към потока, постъпващ в системата, а другата поглъща топлина. Посоката на входящия поток се променя често, за да се поддържа постоянно ниво на топлопренос.

Регенераторите са подходящи за високотемпературни приложения, като стъкларски топилни и коксови пещи, като отдавна се използват и с мартенови пещи в стоманодобивната индустрия. Регенераторите са особено предпочитани за приложения със замърсени димни газове. Сред недостатъците им са големите им размери и много високите капиталови разходи.