§ 2. Охлаждение газов в поверхностных теплообменниках

Поверхностные охладители являются наиболее рациональным типом охладителей газа, так как, во-первых, не увеличивают объема охлаждаемого газа и, во-вторых, позволяют полезно использовать отдаваемое им тепло. Наилучшими и наиболее распространенными охладителями этого типа являются котлы-утилизаторы, получившие широкое распространение в металлургии. Вырабатываемый ими за счет тепла отходящих газов водяной пар используется на нужды производства или для выработки электроэнергии. В основе теплового расчета котла-утилизатора лежат уравнения теплового баланса и теплопередачи:

V_г(I₁ – I₂)γ = M_п(i₂ – i₁); (17.4)

М_п(i₂ – i₁) = kFΔT_ср, (17.5)

где V_г — количество отходящих газов, м³/с; I₁ и I₂ — энтальпия газов до и после котла-утилизатора, Дж/м³; γ — коэффициент сохранения тепла, учитывающий его потери; М_п — количество получаемого пара, кг/с; k — коэффициент теплопередачи, Вт/(м²·К); F—поверхность нагрева котла, м²; ΔT_ср — среднелогарифмическая разность температур газа и пароводяной фазы, °С; i₁ и i₂— энтальпии воды и пара до и после котла, Дж/кг.

В случае установки типового котла-утилизатора при поверочном расчете его неизвестными являются величины М_п, I₂ и i₂, определяющие паропроизводительностъ котла, температуру газа за котлом и температуру перегретого пара. Расчет ведется методом последовательного приближения. Применительно к мартеновским печам Центроэнергочермет разработал типовой ряд котлов-утилизаторов (табл. 17.1).

Котлы-утилизаторы приведенного типа (рис. 17.1) широко используют и для другого типа печей при условии температуры на входе в котел не выше 850 °С и запыленности газа не выше 25 г/м³.

Рис. 17.1. Продольный разрез котла-утилизатора типа К.У-80-3: 1 — барабан котла; 2 — циркуляционный насос; 3 — предвключенный пакет; 4 — пароперегреватель; 5 — водяной экономайзер; 6 — испарительные поверхности

Таблица 17.1. Технические характеристики котлов-утилизаторов серии КУ

Годовую экономию условного топлива АВ, получаемую в ре­зультате установки котла-утилизатора, и срок окупаемости его установки можно подсчитать по формулам

ΔВ = φД_годΔi(1 — )·10³/29,300_к; (17.6)

t_ок = З_к/(a_o—a)Д_годφ, (17.7)

где φ = 0,94-0,95 — коэффициент, учитывающий расход пара на собственные нужды; Д_год — годовая выработка пара, т; Δi— разность энтальпий перегретого пара и питательной воды, кДж/кг;  = 0,2÷0,3 —коэффициент, учитывающий ухудшение работы ТЭЦ; _к = 0,85—0,90 — к.п.д. замещаемой котельной; З_к — капитальные затраты на установку котла-утилизатора, руб.; а₀ — стоимость 1 т пара ТЭЦ, руб.; а — стоимость 1 т пара котла-утилизатора, руб.

Для средних условий работы мартеновских печей емкостью 500 т экономия условного топлива обычно составляет около 20000 т усл. т/год, а срок окупаемости установки 1—2 года.

В цветной металлургии при высоких запыленностях газа ранее применяли газовые поверхностные холодильники (кулеры), состоящие из вертикальных труб большого диаметра (400 мм), соединенных попарно сверху и объединенных бункером снизу. Их устанавливали вне зданий на открытом воздухе. В силу естественной конвекции атмосферный воздух, омывающий трубы снаружи, охлаждает движущиеся внутри труб горячие газы. Холодильники металлоемки, требуют много места и не позволяют утилизировать тепло охлаждающего газа, поэтому в настоящее время в новых установках их не применяют.