Использование природного газа в качестве десорбирующего агента

Технологии деаэрации существенно влияют на экономичность тепловых электростанций. Для повышения энергетически эффективной выра­ботки электроэнергии на тепловом потреблении за счет отборов пара на подогрев потоков деаэри­руемой и деаэрированной воды деаэрацию воды следует проводить при минимально возможной температуре этих теплоносителей [51]. Особенно актуально это положение для открытых систем теплоснабжения с большими расходами подпиточной воды: чем ниже температура деаэрированной подпиточной воды, тем меньше температура обратной сетевой воды, с которой подпиточная вода смешивается, и тем ниже потенциал отопительных отборов пара теплофикационных турбин, которым подогревается сетевая вода. Значение же потенциала отборов пара непосредственно влияет на выработку электроэнергии на тепловом потреблении.

Тем не менее, резервы повышения энергетической эффективности ТЭЦ с деаэрацией подпиточной воды систем теплоснабжения далеко не исчерпаны. В частности, одна из возможностей повышения тепловой экономичности связана с применением новых технологий низкотемпературной деаэрации подпиточной воды.

Далее рассматривается одно из таких решений, позволяющих повысить экономичность ТЭЦ путем исключения затрат пара на деаэрацию и использования в качестве десорбирующего агента природного газа [52] (рис. 6.3).

Рис.6.3. Схема дегазации подпиточной воды теплосети природным газом.

Схема (рис.6.3) деаэрации подпиточной воды содержит: котел 1, теплофикационную турбину 2 с отборами пара, которые подключены к нижнему 3 и верхнему 4 сетевым подогревателям. К деаэратору 5 подключены трубопровод исходной воды 6 и патрубки подвода 7 и отвода 8 десорбирующего агента. Патрубки подвода 7 и отвода 8 десорбирующего агента включены в газопровод 9, подключенный к горелкам котла 1. Бак-аккумулятор 10 деаэратора 5 связан трубопроводом подпиточной воды 11 с обратным сетевым трубопроводом 12 перед нижним сетевым подогревателем 3.

Вырабатываемый в котле 1 пар направляют в теплофикационную турбину 2. Сетевую воду нагревают паром отопительных отборов теплофикационной турбины 2 в нижнем 3 и верхнем 4 сетевых подогревателях. Исходную воду по трубопроводу 6 подают в деаэратор 5. Используемый в качестве десорбирующего агента природный газ из газопровода 9 направляют в деаэратор 5 по патрубку подвода 7. Из деаэратора 5 природный газ с выделившимися коррозионно-агрессивнымигазами удаляют из деаэратора по патрубку отвода 8 и по трубопроводу 9 подают в горелку парового котла 1. Деаэрированную воду из деаэратора 5 сливают в бак-аккумулятор подпиточной воды 10, после чего по трубопроводу 11 подают в обратный сетевой трубопровод 12 перед нижним сетевым подогревателем 3. Поскольку деаэрацию в деаэраторе производят газом при низких температурах (10-30°C), смешение деаэрированной подпиточной воды с обратной сетевой водой приводит к существенному понижению температуры обратной сетевой воды перед нижним сетевым подогревателем, возрастанию выработки электроэнергии на тепловом потреблении и, как следствие, к повышению экономичности способа работы тепловой электрической станции.[53]

Главная особенность технологии, которую поясняет схема на рис. 6.3, состоит в применении нового десорбирующего агента в деаэраторе. Вместо традиционных водяного пара или перегретой воды, которая образует пар при попадании в вакуумный деаэратор, новая технология предусматривает применение в качестве десорбирующей среды газа, являющегося топливом для котлов электростанции. Эффективному использованию природного газа в качестве десорбирующей среды в деаэраторах способствует отсутствие в нем коррозионно-агрессивных газов. Весьма важным об­стоятельством является возможность проведения деаэрации воды при относительно невысоких температурах, поскольку газ после редуцирую­щих установок имеет низкую температуру. При подаче холодной деаэрированной подпиточной воды в обратный сетевой трубопровод происхо­дит значительное снижение температуры обрат­ной сетевой воды перед сетевыми подогревателя­ми теплофикационных турбин. Снижение темпе­ратуры обратной сетевой воды, в свою очередь, приводит к увеличению выработки электроэнер­гии на тепловом потреблении и повышению энергетической эффективности работы ТЭЦ.

Также предлагается модернизация вышепоказанной схемы с подогревом природного газа, уходящими газами котла (рис 6.4).

Рис 6.4. Схема деаэрации с подогревом природного газа уходящими газами

В данной схеме предложен вариант внедрения дополнительного теплообменного аппарата 14, где будет происходить теплообмен между уходящими газами ,подводимыми через трубопровод 13, и природным газом.

Установка дополнительного теплообменника влечет за собой: увеличение КПД котлоагрегата, за счет уменьшения потерь теплоты с уходящими газами,

Также увеличится температура деаэрированной воды, что позволит сократить расход пара в нижнем 3 и верхнем 4 сетевых подогревателях.

Для оценки массообменной и энергетической эффективности этого решения следует опреде­лить теоретически необходимый расход десорби­рующего агента — газа и изменение удельной вы­работки электроэнергии на тепловом потребле­нии теплофикационными турбинами ТЭЦ при изменении температурного режима деаэрации.

В основу методики определения теоретически необходимого удельного расхода природного газа для удаления из воды растворенного кислорода d™ⁿ, кг/т, положено решение балансовых уравнений процессов массо- и теплообмена при терми­ческой деаэрации при условии, что на выходе из деаэратора достигается равновесие между фазами [54]. С определенными допущениями можно при­нять, что наибольшая массообменная и энергети­ческая эффективность термического деаэратора достигается при минимально возможных расхо­дах десорбирующего агента и покидающего де­аэратор выпара.

Уравнение материального баланса деаэрации можно записать в виде

G_и.в.X_и.в+D_газY_газ = G_д.в X_д.в.+D_выпY_{вып ,} (6.1)

где G_и.в. и G_д.в - количество исходной к деаэриро­ванной воды, кг/ч; D_газ – расход расход природного газа, подаваемого в деаэратор кг/ч; ; D_вып — расход вы­пара деаэратора (смеси выделившихся из воды коррозионно-агрессивных газов и природного га­за), кг/ч; X_и.в, X_д.в — концентрации кислорода в воде на входе в деаэратор и выходе из него; Y_газ, Y_вып — содержание кислорода в природном газе на входе в деаэратор и в выпаре на выходе из деаэра­тора.

Расчетная схема деаэратора приведена на рис. 6.5.

Согласно закону Дальтона, общее давление га­зовой или парогазовой смеси равно сумме парци­альных давлений газов и паров, составляющих смесь. Из закона Генри следует, что концентрация газа, растворенного в воде, пропорциональна парциальному давлению этого газа над поверхно­стью воды.

Концентрация кислорода в газе на входе в де­аэратор Y_газ практически равна нулю. Концентра­ция кислорода в выпаре, покидающем деаэратор, зависит от схемы движения воды и пара в аппара­те. При противоточном движении мольная доля О₂ в парогазовой смеси Y_вып равна

(6.2)

где — коэффициент Генри (константа фазово­го равновесия для кислорода), Па; р — давление в деаэраторе,

Рис. 6.5 Схема деаэрационной колонки противоточного типа.

1 — подвод исходной воды; 2 — подвод греющего пара; 3 — отвод деаэрированной воды; 4 — отвод выпара де­аэратора.

При противоточной схеме движения воды и природного газа в деаэраторе минимальное количество природного газа составит

(6.3)

а его удельное значение

(6.4)

Результаты расчета процесса деаэрации, вы­полненного по формулам (6.1) и (6.2) при разных значениях концентрации кислорода; в воде на входе в атмосферный деаэратор и приведенных в ГОСТ значениях содержания растворенного кислорода в деаэрированной воде, представлены на рис. 6.6.

Рис. 6.6 Зависимость теоретически необходимого расхода десорбирующего агента – природного газа при противоточном движении воды и газа от нагрузки деаэратора

Относительно небольшое количество природно­го газа, требуемое для деаэрации, можно объяснить тем, что теоретический расход соответствует деаэратору с бесконечно большой поверхностью контакта жидкой и газовой фаз. В реальных аппа­ратах массообмен протекает при ограниченной поверхности контакта фаз и в течение ограни­ченного времени, поэтому принятое при расчете равновесие между водой и паром не может быть достигнуто. Однако — это то количество, к которому следует стремиться при организации процесса деаэрации.

Как следует из рис. 6.5 и сравнения его с данны­ми [55], теоретически необходимый удельный рас­ход природного газа для деаэрации существенно превышает теоретически необходимый расход водяного пара при использовании его в качестве десорбирующего агента. В то же время теоретиче­ски необходимый расход газа несколько ниже ре­гламентированных значений удельного расхода выпара, указанных в [56].

Однако при проектировании и эксплуатации аппаратов, в которых в качестве десорбирующего агента используется природный газ с относитель­но низкой температурой после редуцирующих устройств, следует иметь в виду, что коэффициен­ты массопереноса, как правило, существенно за­висят от температуры. На основании результатов расчетов массообмена и экспериментальных дан­ных по низкотемпературной вакуумной деаэра­ции можно утверждать, что реальный расход газа на газовые деаэраторы будет в 3—5 раз больше теоретически необходимого [57]. Обеспечение та­кого расхода на ТЭЦ и в котельных не представ­ляет каких-либо проблем, поскольку расход газа на котлы во много раз превышает расход его на деаэраторы.

Также стоит отметить, что свойства природ­ного газа для деаэрации воды практически не из­меняются, что вытекает из закона Гиббса поскольку выделяемое при деаэрации количество растворенных в воде газов не превы­шает 60 г на 1 т деаэрированной воды [58].

Величина G называется энергией Гиббса и является одним из важнейших термодинамических потенциалов. При постоянных температуре и давлении изменение энергии Гиббса в процессе определяет возможность его самопроизвольного протекания:

ΔG=ΔH–TΔS (6.4)

Если для некоторой реакции ΔG<0, то она может протекать самопроизвольно, при ΔG>0 реакция принципиально неосуществима; ΔG=0 отвечает состоянию равновесия.

CH₄ + H₂O = CO + 3H₂

-137, 14-(-50,79)-(-229)=142,65

CH₄ + 2H₂O = CO₂ + 4H₂

-394,40-(-50,79)-2*(-229)=114,39

Реакции принципиально неосуществимы

ΔG(H₂) = 0 (простое вещество)

Свой­ства воды, деаэрируемой природным газом, так­же не изменяются, так как природный газ не ток­сичен и практически не растворим в воде.

Для объяснения плохой растворимости углеводородов в воде необходимо прежде всего рассмотреть энергетику такого процесса. На рис. 6.7 приведены данные для наиболее простого углеводорода метана.

Рис . 6.7 Растворимость метана в воде

Известно, что растворение газообразного метана в воде — процесс экзотермический (ΔΗ° < 0). Тем не менее изменение свободной энергии (ΔG°) — величина положительная, поскольку в уравнении преобладает энтропийный член (-Т • ΔS°). Очевидно, что изменение энтропии процесса (ΔS°) — величина отрицательная, т.е. растворение метана в воде требует повышения степени упорядоченности системы. При окружении молекул метана молекулами воды подвижность молекул метана должна уменьшаться. Однако при этом существенно важнее то обстоятельство, что молекулы воды, располагаясь вокруг этих неполярных молекул, образуют собственную сетчатую структуру, "клатраты", стабилизированную, как и в структуре льда, водородными связями. Таким образом, растворение метана в воде — процесс, приводящий к более высокой упорядоченности водной фазы. Чем больше поверхность контакта между водой и неполярной фазой, тем выше степень такой упорядоченности[59]

Весьма незначительное сопротивление газового деаэра­тора может быть учтено при настройке регулятора давления газа на газораспределительном пункте, на котором происходит срабатывание основного перепада давления газа, подаваемого из маги­стральных газопроводов на ТЭЦ.

Исходя из выше сказанного можно сделать следующие выводы:

• При подготовке подпиточной воды теплосе­ти на ТЭЦ имеются существенные резервы повы­шения энергетической эффективности, прежде всего благодаря снижению температуры теплоно­сителей, участвующих в деаэрации.

• Предложенная технология деаэрации под­питочной воды теплосети с применением в качестве десорбирующего агента природного газа, поступающего в топки котлов, позволяет существенно понизить температурный уровень процесса деаэрации.

. В результате оценки массообменной эффективности деаэрации подпиточной воды теплосети при использовании в качестве десорбирующего агента природного газа установлено, что теоретически необходимый удельный расход газа для деаэрации составляет около 1 м³ на 1 т деаэрированной воды.