Temperatura spalin i strata kominowa

Ekonomizer

Temperatura spalin opuszczających kocioł parowy w normalnych warunkach przewyższa o ok. 60 K temperaturę pary nasyconej znajdującej się we wnętrzu kotła.

Rys. „Ekonomizer zintegrowany z kotłem UL-S“

Przy ciśnieniu roboczym 10 bar, odpowiadającemu temperaturze pary nasyconej 185 °C, spaliny mają temperaturę ok. 245 °C, co odpowiada mniej więcej 11 % stracie kominowej. Jak widać z grafiki (Rys. „Przyrost sprawności dla ekonomizerów różnych wielkości“),obniżenie temperatury spalin o 20 °C powoduje zmniejszenie straty kominowej o 1 punkt procentowy, co z kolei oznacza odpowiednie podwyższenie sprawności kotła.

Wykorzystując ekonomizer, czy to zintegrowany z kotłem, czy instalowany oddzielnie, można schłodzić spaliny do temperatury 120 – 140 °C, w zależności od wydajności ekonomizera, a przez to znacznie zmniejszyć stratę kominową. W ekonomizerze spaliny oddają swe ciepło na podgrzewanie wody zasilającej kocioł. Tym samym sprawność kotła podwyższa się o 5 – 7 %.

Uproszczony schemat kotła parowego ze zintegrowanym ekonomizerem

Uproszczony schemat kotła parowego ze zintegrowanym ekonomizerem

Przyrost sprawności dla ekonomizerów różnych wielkości (rosnąco od I do III)

Przyrost sprawności dla ekonomizerów różnych wielkości (rosnąco od I do III)

ƞ

ECO III

 

ECO II

 

ECO I

 

bez ECO

     

tspalin

ECO III

 

ECO II

 

ECO I

 

bez ECO

Najlepsze efekty uzyskują ekonomizery nieregulowane, ponieważ na obciążeniu częściowym ich powierzchnie wymiany ciepła są optymalnie wykorzystywane do schładzania spalin.

Informacje o Ekonomizer

Jeśli jednak musi być zachowana określona minimalna dopuszczalna temperatura spalin w kominie, można także indywidualnie dobrać ekonomizer dla różnych temperatur spalin na wlocie i wylocie.

Aby uzyskać maksymalną rentowność tej technologii przez jak największe obniżenie temperatury spalin z jednej strony i utrzymać minimalną dopuszczalną temperaturę spalin w kominie z drugiej strony, niezbędne jest wyposażenie kotła w ciągłą regulację wody zasilającej i regulację z zastosowaniem przewodu obejściowego po stronie wodnej. Zintegrowane ekonomizery należą już dzisiaj do standardowego zakresu wyposażenia kotłów parowych prawie we wszystkich obszarach zastosowania. Inwestycja najczęściej amortyzuje się już w ciągu kilku miesięcy.

Ekonomizer kondensacyjny

W technice wykorzystania ciepła kondensacji ze spalin odbierane jest nie tylko ciepło jawne ściśle powiązane z temperaturą, ale również częściowo ciepło utajone zmagazynowane w spalinach w wyniku odparowania wody. Produktem tego procesu jest kondensat ze spalin, który musi być usunięty z kanałów spalinowych, zneutralizowany i odprowadzony do kanalizacji.

Odporne na agresywne działanie kondensatu materiały stosowane w wymiennikach ciepła, niewrażliwe na wilgoć systemy odprowadzania spalin i kominy ze stali kwasoodpornej umożliwiają stosowanie techniki kondensacji przez długi czas bez skutków w postaci korozji.

W sprzyjających warunkach możliwe jest uzyskanie podwyższenia sprawności kotła do 7 %. Ekonomizer kondensacyjny zawsze instaluje się za wylotem spalin z ekonomizera suchego.

Poniższy wykres przedstawia przykład sprawności kotła w funkcji obciążenia kotła.

Krzywa sprawności kotła w funkcji obciążenia dla kotła bez ekonomizera, kotła z ekonomizerem oraz kotła z ekonomizerem
i dodatkowym kondensacyjnym wymiennikiem ciepła.

Krzywa sprawności kotła w funkcji obciążenia dla kotła bez ekonomizera, kotła z ekonomizerem oraz kotła z ekonomizerem i dodatkowym kondensacyjnym wymiennikiem ciepła.

Kocioł parowy z ekonomizerem
i zainstalowanym w przeciwprądzie
kondensacyjnym wymiennikiem ciepła

Kocioł parowy z ekonomizerem

Kocioł parowy bez ekonomizera

Uproszczony schemat kotła parowego z podłączonym następnie ekonomizerem kondensacyjnym

Uproszczony schemat kotła parowego z podłączonym następnie ekonomizerem kondensacyjnym

Zintegrowany ekonomizer (stal)

Klapa obejścia spalin

Ekonomizer kondensacyjny (stal nierdzewna)

Woda uzupełniająca

Aby ekonomizer kondensacyjny pracował ekonomicznie potrzebuje dostatecznie dużego (> 30 % wydajności kotła) i chłodnego (o temperaturze < 35 °C) strumienia wody, który będzie odbierał ciepło oddawane przez spaliny w ekonomizerze. Woda ta musi być dostępna podczas eksploatacji kotła.

W kotłowniach parowych może być to woda uzupełniająca doprowadzana do zbiornika wody zasilającej.

Warunek ten dotyczy w szczególności tych instalacji, w których para jest używana bezpośrednio do ogrzewania, wobec czego kondensat nie jest w nich odzyskiwany bądź jest odzyskiwany tylko w niewielkim stopniu (< 50 % wytwarzanej pary), jak ma to miejsce np. w produkcji styropianu czy pieczywa oraz gdy para służy do nawilżania powietrza lub suszenia. Dodatkowo trzeba stale uzupełniać ubytki wody traconej z odsolinami, odmulinami, w wyniku parowania wtórnego i wycieków w systemie pary.

Wielkość tych strat jest indywidualną cechą każdej instalacji i może być bardzo różna. Mogą one znacząco przekraczać połowę wytwarzanej pary i muszą być również uzupełniane wodą uzupełniającą. Woda uzupełniająca po uzdatnianiu ma zwykle temperaturę maksymalnie 15 °C i doskonale nadaje się do podgrzewania w kondensacyjnym wymienniku ciepła.

Odpowiednio niska temperatura wody na wlocie do ekonomizera umożliwia intensywną kondensację spalin, a co za tym idzie optymalne wykorzystanie ciepła kondensacji. Przy takiej konfiguracji systemu w normalnym trybie pracy kotła wspólnie występuje ciepło odpadowe (spaliny) i zapotrzebowania na ciepło (woda uzupełniająca), więc korzyści energetyczne są zawsze osiągane.

W instalacjach z dużą ilością zawracanego kondensatu występuje mały strumień objętościowy wody uzupełniającej, więc ekonomizer kondensacyjny nie zawsze jest opłacalny.

Jeżeli jednak instalacja posiada odpowiednie obiegi niskotemperaturowe, można pomimo tego korzystać z techniki kondensacyjnej. Uzyskane ciepło kondensacji może być wykorzystane na przykład do podgrzewania wody technologicznej, przede wszystkim w przemyśle spożywczym lub jako wspomaganie ogrzewania.

W przeciwieństwie do systemów grzewczych w budynkach, które mają jasno zdefiniowane temperatury zasilania i powrotu, w przemyśle działa wiele rozmaitych systemów wykorzystania pary i systemów grzewczych. Wobec tego najprzeróżniejsze rozwiązania w zakresie oszczędności energii i odzysku ciepła mogą być rozważane.

Gruntowna analiza wszystkich źródeł ciepła odpadowego i odbiorników ciepła jest nieodzowna dla znalezienia opcji najbardziej opłacalnej. Optymalne wykorzystanie techniki kondensacyjnej wymaga ścisłego współdziałania pomiędzy użytkownikiem, projektantem i producentem kotła, by z całego mnóstwa możliwości móc wybrać tę najefektywniejszą.

Jeżeli w instalacji nie występuje odbiornik mogący odpowiednio wykorzystać ciepło kondensacji spalin, można zastosować podgrzewanie powietrza do podwyższenia efektywności co zostało opisane w kolejnym rozdziale.

Podgrzewacz powietrza

Nowobudowane kotły z ekonomizerem mogą zostać wyposażone w podgrzewacz powietrza służący podwyższeniu ich sprawności.

Powietrze jest podgrzewane od początkowej temperatury otoczenia do temperatury około 80 °C w wymienniku ciepła zabudowanym przed palnikiem. Woda zasilająca schłodzona do temperatury około 65 °C przepływa przez drugi pęczek wymiennika schładzając spaliny do temperatury około 80 °C.

Bosch oferuje podgrzewacze powietrza dla kotłów jedno- i dwupłomienicowych z palnikami duoblokowymi. Ponieważ zarówno palnik musi mieć specjalną konstrukcję jak i instalacja podgrzewacza powietrza do spalania, dodatkowego ekonomizera i orurowania wymaga większych nakładów, podgrzewacze powietrza są bardzo interesującym rozwiązaniem z ekonomicznej perspektywy dla kotłów pracujących najcześciej na pełnym obciążeniu (ok. 4000 h/rok) lub kotłów o wydajności > 5 t/h). Okres amortyzacji inwestycji w podgrzewacz powietrza często liczy zaledwie 1,5 – 2 lata. Instalacja podgrzewacza powietrza w ramach modernizacji starszego kotła jest opłacalna od około 6000 godzin pracy rocznie.

Luftvorwärmer

Podgrzewacz powietrza

Podgrzewanie powietrza do spalania dla kotła parowego według patentu Bosch

Podgrzewanie powietrza do spalania dla kotła parowego według patentu Bosch

Kocioł parowy

Wymiennik ciepła do podgrzewania powietrza

Wentylator palnika

Powietrze do spalania

Wymiennik ciepła spalin stopień 1

Wymiennik ciepła spalin stopień 2

Zawór 3-drogowy

Woda zasilająca

Komin

Regulator temperatury (TIC)

Chłodnica wody zasilającej

Czynnikiem mającym decydujące znaczenie dla sprawności paleniska kotła parowego niewykorzystującego techniki kondensacji jest temperatura spalin. Jednakże woda zasilająca używana do chłodzenia spalin w ekonomizerze ma w instalacjach z odgazowaniem termicznym temperaturę nie niższą niż 103 °C. Temperatura spalin może być więc schłodzona w ekonomizerze tylko do około 120 °C.

Moduł chłodnicy wody zasilającejl

Moduł chłodnicy wody zasilającejl

Moduł chłodnicy wody zasilającej

Moduł chłodnicy wody zasilającej

Moduł chłodnicy wody zasilającej

Ekonomizer

Kocioł parowy

Moduł przygotowania wody

Woda uzupełniająca

Zawór 3-drogowy

Jeśli jednak w instalacji występują odbiorniki ciepła o temperaturze nie przekraczającej 100 °C, jak np. ogrzewanie wody uzupełniającej w instalacji parowej, ogrzewanie budynku czy podgrzewanie wody technologicznej, można przy użyciu prostego, niedrogiego płytowego wymiennika ciepła i obniżyć temperaturę wody zasilającej z początkowych 103 °C do 65 °C. Bez dodatkowej inwestycji w ekonomizer dzięki uzyskanej w ten sposób większej różnicy między temperaturą spalin i temperaturą wody zasilającej można również schłodzić spaliny do około 85 °C. Poprzez podwyższenie sprawności paleniska w ten sposób można zaoszczędzić do 1,8 % paliwa.

Ten sposób podwyższenia efektywności można także zrealizować w ramach modernizacji starszych kotłów przy relatywnie niewielkich kosztach inwestycyjnych.

Podsumowanie

Zmniejszenie straty kominowej jest priorytetowym zadaniem w projektowaniu i eksploatacji kotłowni parowej. Często pojawia się pytanie:

Które metody odzysku ciepła, czy może ich kombinacje, dają najlepsze efekty?

Poniższy wykres przedstawia metody zmniejszania straty kominowej, które zostały opisane w poprzednich rozdziałach, na przykładzie kotłowni parowej.

Najodpowiedniejsza technologia optymalizacji eksploatacji kotłowni parowej jest specyficzna dla każdego indywidualnego przypadku. W szczególności czynnikiem o elementarnym znaczeniu dla wyboru sposobu podwyższenia sprawności jest „wielkość” i temperatura niskotemperaturowego odbioru energii cieplnej.

Przykład:

 

Strumień kondensatu

c = ṁkond / ṁpara

Strumień wody uzupełniającej

wu = 1 – c

UL-S

10 000 x 16

Wydajność

10 000 kg/h przy pśr = 13 bar

Strumień odsolin

5 %

Przypadek

Komponenty

Sprawność

   

komponentów

ogółem

1

Kocioł

88,9 %

---

2

Kocioł + ekonomizer

88,9 % + 6,5 %

95,4 %

3

Kocioł + ekonomizer + ekonomizer kondensacyjny
(wu = 0,3 / α = 12 %)

88,9 % + 6,5 % + 2,8 %

98,2 %

4

Kocioł + ekonomizer + ekonomizer kondensacyjny
(wu = 0,5 / α = 20 %)

88,9 % + 6,5 % + 3,8 %

99,2 %

5

Kocioł + ekonomizer + ekonomizer kondensacyjny
(wu = 1 / α = 34 %)

88,9 % + 6,5 % + 7,6 %

100,9 %

6

Kocioł + ekonomizer + podgrzewacz powietrza
(20 °C do 65 °C)

88,9 % + 6,5 % + 1,7 %

97,1 %

7

Kocioł + ekonomizer + chłodnica wody zasilającej
(wu = 0,3)

88,9 % + 6,5 % + 0,6 %

96,0 %

Przykłady łączenia różnych metod odzysku ciepła dla zmaksymalizowania efektów

Odbiornikami ciepła wykorzystywanymi dla kondensacyjnych wymienników są z reguły woda uzupełniająca do produkcji pary, wspomaganie ogrzewania lub podgrzewanie wody technologicznej. To samo dotyczy chłodnicy wody zasilającej, która zwłaszcza wtedy jest wyjątkową korzystną alternatywą dla ekonomizera kondensacyjnego, gdy ogrzewany strumień wody jest względnie mały lub ciepło, jak ma to miejsce w przypadku ciepła do celów grzewczych, nie może być używane przez cały rok.

Jeżeli nie występuje odbiór ciepła lub występuje tylko odbiór ciepła mocno zmienny w czasie, wskazane będzie raczej zastosowanie podgrzewacza powietrza.

Wykres sprawności kotła parowego z wykorzystaniem poszczególnych metod podwyższenia sprawności

Wykres sprawności kotła parowego z wykorzystaniem poszczególnych metod podwyższenia sprawności

Kocioł (nie przedstawiony na wykresie)

     

Kocioł + ekonomizer + ekonomizer kondensacyjny
(wu = 1 / α = 34 %)

Kocioł + ekonomizer

 

Kocioł + ekonomizer + podgrzewacz powietrza
(20 °C do 65 °C)

Kocioł + ekonomizer + ekonomizer kondensacyjny
(wu = 0,3 / α = 12 %)

 

Kocioł + ekonomizer + chłodnica wody zasilającej
(wu = 0,3)

Kocioł + ekonomizer + ekonomizer kondensacyjny
(wu = 0,5 / α = 20 %)