Теплоутилизационные аппараты инновационных конструкций с усиленной радиационной составляющей теплообмена для топливных печей

    Ученые Института газа НАН Украины развили научно-технические основы глубокой утилизации теплоты выхлопных газов топливоиспользующих агрегатов и теорию рекуперативных теплообменников.
    Утилизация теплоты выхлопных газов является важнейшим направлением повышения эффективности использования топлива в средне- и высокотемпературных технологических печах. Это обеспечивает экономию около 30 - 35% природного газа - в зависимости от технологической температуры и назначения печи. Процесс реализуется в рекуперативных теплообменниках путем подогрева теплоносителей - компонентов горения (прежде всего воздух-окислителя), которые поступают в печи. Чем выше является температура подогрева воздуха горения и технологическая температура печи (выхлопных газов), тем больше есть экономия топлива. Учеными Института газа НАН Украины во главе с главным научным сотрудником Института, доктором технических наук, профессором Борисом Семеновичем Сорокой развитые научно-технические основы глубокой утилизации теплоты выхлопных газов топливоиспользующих агрегатов и теория рекуперативных теплообменников.
    Ученые предложили современные подходы к созданию усовершенствованных конструкций рекуператоров. Эти подходы позволяют, во-первых - достижение энергетической цели (за счет интенсификации теплообмена в рекуператорах, что обеспечивает повышение температуры подогрева теплоносителей) и, во-вторых - решение эксплуатационной задачи (благодаря уменьшению температуры теплообменных поверхностей). Сокращение расхода топлива при этом сопровождается удлинением срока эксплуатации рекуператоров (печного оборудования), является предпосылкой отопления печей низкокалорийными технологическими газами с содержанием серы.
    Согласно предложенной концепции были созданы новые конструкции рекуператоров с усиленной радиационной составляющей, обеспечивается установлением в каналах теплообменника вторичных излучателей различной оптимальной геометрии. При этом используются вставки как на тракте прозрачных сред (воздух), так и излучающих газов (продукты сгорания, отдельные низкокалорийные газовые топлива). Учеными Института газа НАН Украины было развито два основных направления конструктивной реализации концепции - выносные цилиндрической-кольцевые рекуператоры (распространенное название - радиационные) и трубчатые (конвективные) рекуператоры, расположенных в дымоходах печи.
    1. Выносные цилиндрической-кольцевые рекуператоры ЖРД (патент Украины на изобретение №103961 «Радиационный рекуператор» / Сорока Б.С., Шандор П., Воробьев М.В.).
    В рамках научно-технического (инновационного) проекта, получившего финансирование по конкурсу НАН Украины, в 2014 Институт газа разработал проектно-конструкторскую документацию на пилотный образец рекуператора ЖРД для дальнейшего использования в печах различного назначения - от термических к стекловаренных в широком диапазоне рабочих температур (700 - 1600 ° С). Конструкция ЖРД обеспечивает повышение тепловой эффективности утилизаторов теплоты за счет резкого увеличения теплообменной поверхности на единицу объема (массы) аппарата путем рационального взаимного компоновки каналов каждого из теплоносителей и максимального оснащения вторичными (Адиабатный) излучателями каналов с радиационно непрозрачным теплоносителем - потоками продуктов сгорания. В рекуператоре типа ЖРД организовано двухступенчатую схему подогрева воздуха горения. Рекуператоры ЖРД, спроектированные в Институте газа НАН Украины, были изготовлены в Венгрии и прошли испытания на огневых стендах для подогрева воздуха-окислителя - при сжигании природного газа (на предприятии TUKI, г.. Мишкольц) и при сжигании смешанного коксо-доменного газа (на металлургическом комбинате «ISD DUNAFERR», г.. Дунауйварош). Пилотный образец рекуператора ЖРД установлен и успешно используется в промышленных условиях на Колпаково печи для термообработки стальных рулонов в цехе холодной прокатки комбината «ISD DUNAFERR».
     Установлена возможность подогрева воздуха до температуры, выше 400 ° С при температуре выхлопных газов 720 ° С, и соответствующей экономии топлива. Данные показатели превышают характеристики традиционных рекуператоров.
Рекуператоры указанной конструкции внедрены на нагревательных печах машиностроительных предприятий Украины и Республики Беларусь с обеспечением КПД печей до 70%. Это значительно превышает показатели существующих печей кузнечно-прессового производства.
     Разработана серия типоразмеров рекуператоров ЖРД номинальной производительностью 200 - 2500 нм3 / ч.
     2. Трубчатые рекуператоры (РПС) повышенной устойчивости (Патент Украины на изобретение № 101124 «Рекуператор» / Сорока Б.С., Шандор П., Кудрявцев В.С., Воробьев М.В.). Доказана возможность обеспечения температуры воздуха горения 700 ° С с ее повышением на 100 - 170 ° С по сравнению с характеристиками традиционных рекуператоров при одновременном уменьшении температуры стенок труб на 100 ° С. Таким образом удается дополнительно к обычной для трубчатых рекуператоров 25% -ной экономии топлива обеспечить еще 10 - 15% экономии. В то же время, срок эксплуатации высокотемпературных рекуператоров растет в 2 - 5 раз. Кроме того, рекуператоры РПС можно устанавливать в агрессивной среде, обеспечивает их использование в печах, которые отапливаются низкокалорийными газами.
     Систематическими исследованиями в промышленности и на крупномасштабном компьютеризированном огневом стенде доказано, что за экономией топлива, энергетическими, гидравлическими и теплогидравлических характеристиками предложенные рекуператоры высокотемпературных печей превышают показатели существующих зарубежных аналогов, разработанных в США, странах - членах ЕС и Китае. При условии внедрения рекуператоров РПС или их элементов - вторичных излучателей - на части (20%) печей прокатного производства черной металлургии Украины ожидаемый эффект экономии топлива составит более 95 млн. М3 природного газа в год (в том числе дополнительная экономия - около 27200000 . м3 / год). Использование рекуператоров РПС предложенной конструкции обеспечивает значительный экономический эффект с небольшим сроком окупаемости внедрения разработки (4 месяца). Годовой экономический эффект при этом составляет 798 600 000. Грн. (31300000. Долларов США - по состоянию на февраль 2015), в том числе дополнительная экономия за счет особенностей конструкции рекуператоров РПС - 226400000. Грн. / Год (около 9 млн. Долларов США в год). С другой стороны, использование предложенного способа и устройств утилизации выхлопной теплоты печей гарантирует возможность замены природного газа технологическим (в т.ч. низкокалорийным). В этом случае экономический эффект замены природного газа составляет 51700000. Долларов США в год.
     В декабре 2014 рекуператор типа РПС с внутритрубной вторичными излучателями одержал победу на Всеукраинском конкурсе «Изобретение года» в номинации «Энергетика и энергоэффективность». Почетный диплом и памятный кубок был вручен авторам изобретения - д.т.н., профессору Б.С. Сороке, к.т.н. М.В. Воробьеву, к.т.н. В.С. Кудрявцеву.
По материалам Института газа НАН Украины