Теплоутилізаційні апарати інноваційних конструкцій з посиленою радіаційною складовою теплообміну для паливних печей

Науковці Інституту газу НАН України розвинули науково-технічні засади глибокої утилізації теплоти викидних газів паливовикористовуючих агрегатів та теорію рекуперативних теплообмінників.

Утилізація теплоти викидних газів є найважливішим напрямом підвищення ефективності використання палива у середньо- та високотемпературних технологічних печах. Це забезпечує економію близько 30 – 35% природного газу – залежно від технологічної температури та призначення печі. Процес реалізується у рекуперативних теплообмінниках шляхом підігріву теплоносіїв – компонентів горіння (перш за все повітря-окислювача), які надходять до печі. Що вищою є температура підігріву повітря горіння та технологічна температура печі (викидних газів), то більшою є економія палива. Науковцями Інституту газу НАН України на чолі з головним науковим співробітником Інституту, доктором технічних наук, професором Борисом Семеновичем Сорокою розвинуті науково-технічні засади глибокої утилізації теплоти викидних газів паливовикористовуючих агрегатів та теорія рекуперативних теплообмінників.

Учені запропонували сучасні підходи до створення удосконалених конструкцій рекуператорів. Ці підходи уможливлюють, по-перше – досягнення енергетичної мети (за рахунок інтенсифікації теплообміну в рекуператорах, що забезпечує підвищення температури підігріву теплоносіїв) і, по-друге – вирішення експлуатаційної задачі (завдяки зменшенню температури теплообмінних поверхонь). Скорочення витрат палива при цьому супроводжується подовженням терміну експлуатації рекуператорів (пічного обладнання), що є передумовою опалення печей низькокалорійними технологічними газами з умістом сірки.

Відповідно до запропонованої концепції було створено нові конструкції рекуператорів з посиленою радіаційною складовою, що забезпечується встановленням у каналах теплообмінника вторинних випромінювачів різноманітної оптимальної геометрії. При цьому використовуються вставки як на тракті прозорих середовищ (повітря), так і випромінюючих газів (продукти згоряння, окремі низькокалорійні газові палива). Науковцями Інституту газу НАН України було розвинуто два основні напрями конструктивної реалізації концепції – виносні циліндрично-кільцеві рекуператори (поширена назва – радіаційні) та трубчасті (конвективні) рекуператори, що розташовані в димоходах печі.

1. Виносні циліндрично-кільцеві рекуператори РРД (патент України на винахід №103961 «Радіаційний рекуператор» / Сорока Б.С., Шандор П., Воробйов М.В.).

У рамках науково-технічного (інноваційного) проекту, що отримав фінансування за конкурсом НАН України, у 2014 р. Інститут газу розробив проектно-конструкторську документацію на пілотний зразок рекуператора РРД для подальшого використання в печах різного призначення – від термічних до скловарних в широкому діапазоні робочих температур (700 – 1600°С). Конструкція РРД забезпечує підвищення теплової ефективності утилізаторів теплоти за рахунок різкого збільшення теплообмінної поверхні на одиницю об’єму (маси) апарату шляхом раціонального взаємного компонування каналів кожного з теплоносіїв та максимального оснащення вторинними (адіабатними) випромінювачами каналів з радіаційно непрозорим теплоносієм – потоками продуктів згоряння. У рекуператорі типу РРД організовано двоступеневу схему підігріву повітря горіння. Рекуператори РРД, спроектовані в Інституті газу НАН України, були виготовлені в Угорщині та пройшли випробування на вогневих стендах для підігріву повітря-окислювача – при спалюванні природного газу (на підприємстві TUKI, м. Мішкольц) і при спалюванні змішаного коксо-доменного газу (на металургійному комбінаті «ISD DUNAFERR», м. Дунауйварош). Пілотний зразок рекуператора РРД встановлений та успішно використовується в промислових умовах на ковпаковій печі для термообробки сталевих рулонів в цеху холодної прокатки комбінату «ISD DUNAFERR».

Рекуператор РРД на промисловій ковпаковій термічній печі та дослідній установці для його випробувань (металургійний комбінат «ISD DUNAFERR», м. Дунауйварош, Угорщина)
	Прохідна піч термічної обробки заготовок продуктивністю 2,5 т / год з рекуператором типу РРД в ковальському цеху автозаводу «МАЗ» (м. Мінськ, Республіка Білорусь)

Встановлено можливість підігріву повітря до температури, вищої від 400°С при температурі викидних газів 720°С, та відповідної економії палива. Дані показники перевищують характеристики традиційних рекуператорів.

Рекуператори зазначеної конструкції впроваджені на нагрівальних печах машинобудівних підприємств України та Республіки Білорусь із забезпеченням ККД печей до 70%. Це значно перевищує показники наявних печей ковальсько-пресового виробництва. Розроблено серію типорозмірів рекуператорів РРД номінальною продуктивністю 200 – 2500 нм³/год.

2. Трубчасті рекуператори (РПС) підвищеної стійкості (Патент України на винахід № 101124 «Рекуператор» / Сорока Б.С., Шандор П., Кудрявцев В.С., Воробйов М.В.). Доведено можливість забезпечення температури повітря горіння 700°С з її підвищенням на 100 – 170°С порівняно з характеристиками традиційних рекуператорів за одночасного зменшення температури стінок труб на 100°С. Таким чином вдається додатково до звичайної для трубчастих рекуператорів 25%-ї економії палива забезпечити ще 10 – 15% економії. Водночас, термін експлуатації високотемпературних рекуператорів зростає у 2 – 5 разів. Крім того, рекуператори РПС можна встановлювати в агресивному середовищі, що забезпечує їхнє використання в печах, які опалюються низькокалорійними газами.

Принципова схема та загальний вигляд секції петлевого трубчастого рекуператора РПС з вторинними випромінювачами в трубах

Систематичними дослідженнями у промисловості та на великомасштабному комп’ютеризованому вогневому стенді доведено, що за економією палива, енергетичними, гідравлічними та теплогідравлічними характеристиками запропоновані рекуператори високотемпературних печей перевищують показники наявних закордонних аналогів, що були розроблені у США, країнах – членах ЄС та Китаї. За умови впровадження рекуператорів РПС або їхніх елементів – вторинних випромінювачів – на частині (20%) печей прокатного виробництва чорної металургії України очікуваний ефект економії палива становитиме понад 95 млн. м3 природного газу на рік (у тому числі додаткова економія – близько 27,2 млн. м3/рік). Використання рекуператорів РПС запропонованої конструкції забезпечує значний економічний ефект з невеликим терміном окупності впровадження розробки (4 місяці). Річний економічний ефект при цьому складає 798,6 млн. грн. (31,3 млн. доларів США – станом на лютий 2015 р.), у тому числі додаткова економія за рахунок особливостей конструкції рекуператорів РПС – 226,4 млн. грн./рік (близько 9 млн. доларів США на рік). З іншого боку, використання запропонованого способу та пристроїв утилізації викидної теплоти печей гарантує можливість заміни природного газу технологічним (в т.ч. низькокалорійним). У цьому разі економічний ефект заміни природного газу становить 51,7 млн. доларів США на рік.

У грудні 2014 р. рекуператор типу РПС із внутрішньотрубними вторинними випромінювачами здобув перемогу на Всеукраїнському конкурсі «Винахід року» у номінації «Енергетика та енергоефективність». Почесний диплом і пам’ятний кубок було вручено авторам винаходу – д.т.н., професору Б.С. Сороці, к.т.н. М.В. Воробйову, к.т.н. В.С. Кудрявцеву.

За матеріалами Інституту газу НАН України