Главная / Газовые котлы
Назад
Опубликовано: 03.06.2019
Время на чтение: 5 мин
1
6027
Мировая индустрия сегодня потребляет огромное количество энергии. Самая большая проблема состоит в том, что половина ее тратится впустую из-за неэффективных процессов генерации. Тепло в виде пара, горячей воды или дымовых газов выбрасывается в окружающую среду практически в любом производственном цикле.
Сегодня, используя интеллектуальные современные системы утилизации, отработанное тепло можно повторно использовать для других целей, что снижает выбросы углерода в атмосферу и тепловое загрязнение окружающей среды. Статистика подтверждает, что крупными источниками теплового загрязнения являются нефтепереработка, металлургия и энергетика.
Котлы утилизаторы (КУ) — котлы для использования отработанного тепла и технологических газов от газотурбинных и дизельных установок. Температура выбросов достигает сотни и даже тысяч градусов, в связи с чем перед инженерами и исследователями стоит вопрос максимального использования этой энергии.
- 1 Что такое котел утилизатор
- 2 Применение котлов утилизаторов
- 3 Принцип работы
- 4 Классификация котлов утилизаторов
- 5 Тепловой расчет утилизатора
Описание разновидностей котлов-утилизаторов
Котлы-утилизаторы используют тепловую энергию отработанных газов
Работа теплообменных агрегатов основывается на передаче энергии, имеющейся в горячих газовых массах, жидкому теплоносителю. Утилизационный котел обычно не оснащается горелкой, так как его конструкция не предполагает нагревания и сгорания топливных ресурсов. Зато в него вмонтированы электрод накаливания и блок, обеспечивающий искусственное перемещение газа по внутренним путям котлоагрегата. Устройства различаются по ряду характеристик: они бывают одно- и двухконтурными, с разными габаритами нагревательного бачка.
В зависимости от температуры отходящих газов агрегаты можно разделить на работающие с низкими и высокими температурами. В первую категорию попадают показатели до 900 °С, во вторую – превышающие 1000°С.
По принципу работы котлы утилизаторы можно разделить на два класса. Паровые агрегаты применяются для генерации горячего пара для отопления или использования в промышленности. Водогрейные устройства принимают газы, которые отходят от установки, и передают их тепло воде. Последняя может быть использована для отопительных или иных целей.
Паровые устройства и котлы, предназначенные для подогрева воды, могут быть оборудованы топочной камерой. Поскольку при вторичной переработке масс газов, которые при ином раскладе попадали бы в атмосферу, генерируется много энергии, такие котлы иногда применяются для производства электричества. Существуют модели, не оснащенные топкой. В таких устройствах газы непосредственно воздействуют на теплообменник с жидкостью или паром.
Все элементы конструкции, в которых идут процессы горения, изготавливаются из огнестойких материалов.
Устройство и принцип действия:
В парогазовых агрегатах применяются котлы, в которых пар имеет среднее или высокое давление. После получения пара он задействуется в паровой турбине. Помимо пара, в парогазовой установке в качестве энергетического источника используется энергия выходящих газов.
Конструкция парогазового оборудования предусматривает водотрубные котлы с конвективными нагревательными поверхностями и многоразовой циркуляцией принудительного типа. Конструктивные данные отопительного агрегата зависят от показателя мощности паровой турбины. Разные модели имеют от одного контура до нескольких независимых контуров с разными показателями парового давления.
Конструкция трехконтурного котла утилизатора включает в себя:
барабан с сепарационными устройствами высокого давления, барабан с сепарационными устройствами среднего давления, барабан с сепарационными устройствами низкого давления, пароперегреватели высокого среднего и низкого давлений, пароперегреватель вторичный, испарители высокого среднего и низкого давлений, экономайзеры высокого и среднего давлений, газовый подогреватель конденсата, каркас, площадки обслуживания, изоляция и обшивка.
Все поверхности нагрева выполнены из труб со спиральным оребрением, дренируемы. Котел снабжен необходимой арматурой, гарнитурой и КИП.
Рис.1. Котел-утилизатор КГТ-258/310/35-15.0/3.14/0.44-540/535/263
Унифицированные энерготехнологические котлы-утилизаторы типа ПКК, предназначенные для сжигания отходящих газов сажевого производства и получения пара, устанавливают за высокотемпературными нагревательными печами.
Котлы типа ПКК — однобарабанные, конвективные, с естественной циркуляцией, выполнены в П-образной компоновке.
Отбросные газы вместе с высококалорийным топливом сжигаются в неэкранированном предтопке. Из предтопка продукты сгорания поступают в подъемный газоход, где расположены секции конвективного пучка — ширмы, образованные из труб, которые объединены индивидуальными входными и выходными коллекторами. Секции ширм подвешены к потолочному перекрытию котла на пароотводящих трубах , которые соединены с барабаном 8. Барабан установлен на металлическом каркасе сварной конструкции.
В пространстве, образованном изгибом секций ширм конвективного пучка, находится пароперегреватель, состоящий в зависимости от производительности котла из одного (котел ПКК-30) или нескольких пакетов (четыре для котла ПКК-100).
В опускном газоходе по ходу газов расположены вертикальный трубчатый воздухоподогреватель и водяной стальной экономайзер. Экономайзер состоит из трех пакетов. Поверхности нагрева, расположенные в подъемном газоходе, очищаются с помощью обдувочных приборов типа ОТ, а поверхности, расположенные в опускном газоходе, — дробеструйной установкой. Обмуровка предтопка и котлов выполнена в виде трехслойной кирпичной кладки. Котлы типа ПКК, поставляемые транспортабельными блоками, выпускают трех типов: производительностью 30, 75 и 100 т/ч пара.
Рис. 1. Котел-утилизатор типа ПКК: 1 — предтопок, 2, 10 —газоходы, 3 — пароперегреватель, 4 — ширмы, 5 — коллектор, 6 — пароотводящие трубы, 7 — каркас, 8 — барабан, 9 — дробеструйная установка, 11 — воздухоподогреватель, 12 — экономайзер
Комплектация оборудования
В базовой комплектации котлоагрегаты снабжены достаточным количеством функциональных блоков. В нее обязательно входят насосная группа, изоляционные устройства, панель управления.
Переориентации производственного предприятия или освоении им новых сфер деятельности может появляться нужда в дополнительных технических приспособлениях. Оно может включать в себя такие элементы:
- защитные устройства: жароустойчивое экранирование, блоки предохранения, запирающие клапаны, подвесные детали;
- насосное оборудование;
- устройства, обеспечивающие вентиляцию и нагнетание воздушных масс.
В некоторых многокомпонентных системах используются также арматурные элементы из арсенала сантехника. Они нужны для конструирования различных типов теплообменных устройств.
В некоторых ситуациях целесообразно приобрести и источник бесперебойного электричества. Конструкция ряда моделей предусматривает возможность подключения горелки.
Технические характеристики
Использование газовых отходов в полном объеме позволяет котлам иметь высокие показатели КПД. У устройств, работающих на жидком или твердом топливе, они существенно меньше. Однако если теплообменные поверхности сильно засорены, эффективность работы агрегата снижается. Чистить эти части конструкции можно, обмывая водой или обдувая паром. Практикуется также технология виброочистки.
В разных отраслях промышленности на определенных этапах цикла производства задействуются различные типы котлов. Они отличаются числом парообразовательных регистров, параметрами мощности, используемыми циркуляционными схемами, требовательностью к качеству теплоносителя.
Насколько эффективно будет работать агрегат, зависит от типа подачи, количества газовых масс и их температуры. Объемы выбрасываемых отходов у разных видов промышленности отличаются. Наибольшее количество образуется при переработке нефти и в металлургии. Специфичным для последней является шихтовый газ. Присутствие окалины металлов благоприятно для прогорания газового топлива.
Принцип работы
Принцип работы утилизатора (экономайзера) является классическим для теплообменной аппаратуры. Горячие отработанные газы, выступающие нагревающим теплоносителем, под воздействием давления, создаваемого теплогенератором или печной тягой, проходят через экономайзер по своим теплообменным каналам. Во встречном направлении (противотоком) через свои каналы (или по оребренному трубчатому змеевику) прокачивается холодная вода, которая в процессе нагревания стает горячей, или превращается в насыщенный водяной пар. В дальнейшем охлажденные отработанные газы продолжают движение в сбросную систему, горячая вода или водяной пар – поступают к потребителям.
Достоинства и недостатки
Котел-утилизатор снижает энергетические выбросы
От других типов котлоагрегатов рассматриваемые устройства отличаются отсутствием потребности в добавочном топливе. Утилизатор функционирует только на газовых отходах. Это позволяет использовать топливо значительно эффективнее, а также снизить затраты на очистку выхлопов. Кроме того, применение таких котлов на предприятиях положительно влияет на окружающую среду. Энергетические выбросы существенно понижаются. За счет снижения объемов сжигаемого топлива, содержащего углеводород, в атмосферу попадает значительно меньшее количество парниковых газов. Энергосберегающий производственный цикл снижает издержки предприятия.
Холодные детали агрегата подвергаются коррозии. Эффективность использования утилизатора зависит от того, до какой температуры нагреты вырабатываемые газы.
Особенности работы
В процессе работы котлоагрегата его теплообменник покрывается веществами, содержащимися в дымовых газах. Это не лучшим образом влияет на эффективность утилизатора. Чтобы сделать КПД максимально высоким, можно установить перед ним термоокислитель летучей органики.
Если потребность в использовании тепла отработанных газов возникает лишь время от времени, можно регулировать поступление выбросов на котел. Для этого используется специальный байпас – блок, перенаправляющий отходы в дымовую трубу. Регулировать функцию байпаса можно посредством сухого контакта, предполагающего открытое и заблокированное состояния, либо с использованием наружного аналогового сигнала. В последнем случае процесс завязан на регуляцию угла открытия заслонки.
Принцип работы
Принцип работы котла-утилизатора – это не сложный процесс. Представим себе пространство, чаще всего трубу, заполненную отсеками труб с циркулирующей в них водой. Использовать отсеки дешевле, поскольку на каждый отсек устанавливается отдельный насос, поддерживающий циркуляцию жидкости. Много малых насосов дешевле большого той же мощности. Принудительная циркуляция жидкости ускоряет парообразование.
Вода под воздействием температур делится на слои, каждый из которых обладает своей плотность. Вследствие прогревания нижних слоев и подъема их наверх, происходит перемешивание и циркуляция жидкости в трубах. Механическая циркуляция значительно ускоряет этот процесс. Использование насосов позволяет распределять тепло равномерно.
Сквозь трубы с водой проходят отработанные дымовые газы с высокими температурами. Отработанные газы служат источником тепла. Для ускорения процесса на входе в котел стоит вентилятор. Все устройство содержит в себе несколько вентиляторов, которые позволяют несколько раз прогнать дым сквозь топку для достижения максимального эффекта.
После котла пар поступает к потребителю, откуда возвращается в бак с водой. К баку происходит постоянное подмешивание подпиточной воды. Цикл не может постоянно использовать одну и ту же жидкость, потери при прохождении сети труб от котла к потребителю неизбежны.
Чтобы понять принцип работы-котла утилизатора, необходимо знать, как происходит подготовка питательной воды. Для ее подготовки используется деаэратор, который избавляет воду из общегородской сети от примесей калия и магния. Именно эти элементы отвечают за образование накипи. Без предварительной отчистки трубы в котле и на пути к потребителю быстро зарастут. В лучшем случае это ухудшит теплообмен, в худшем полностью остановит работу котла.
Перед подачей в барабан подготовленная вода подогревается, чтобы снизить теплопотери паровой смеси на нагрев внесенной жидкости. Для этого используется экономайзер. Принцип работы экономайзера не отличается от принципа работы теплообменника в самом котле: это сеть труб, через которые вода течет в барабан котла. Через эти трубы отработанный газ после теплообменников уходит в атмосферу.
Экономайзер
Обратите внимание: через экономайзер вода не циркулирует, а протекает сразу в барабан котла по змеящемуся трубопроводу. Дым здесь так же не циркулирует, просто проходя сквозь трубы. Нагреть питательную воду отработанными газами невозможно, использование насосов и вентиляторов здесь нецелесообразно. Газ на этом этапе уже отдал максимальный запас тепла, задача экономайзера – сделать цикл еще экономичнее.
Так вкратце выглядит схема работы котла-утилизатора.
Область применения
Утилизаторы особенно востребованы в промышленности, когда выделяется много физической теплоты
Целесообразно ставить утилизаторы, если в результате некоторого процесса выделяется много физической теплоты, подлежащей дальнейшему использованию для снижения затрат топлива. Сюда относятся тушение накаленного кокса и работа газовых турбин. В последнем случае котел используют для генерации пара, идущего впоследствии на обогрев предприятия или решение технологических задач.
Существуют также модификации конвективного типа, заточенные под задачу охлаждения углеродных газов. Они применяются при плавлении стали. Конструктивные особенности этих агрегатов обеспечивают большое число циклов искусственной циркуляции и двухступенчатое испарение. Некоторые котлы предусматривают сжигание углеродного оксида. Охлаждение конверторных отходов уменьшает унос и загрязнение атмосферы.
На теплоэлектростанциях используются усовершенствованные вариации утилизаторов. Для подготовки воды, запитывающей системы отопления и горячего водоснабжения, применяют устройства деаэрации атмосферного давления. Они же задействованы при приготовлении теплоносителя для паровых котлоагрегатов. Для вакуумной деаэрации задействуются вторичные газовые массы, выделяющиеся при функционировании турбины. В результате получается пар, впоследствии снова применяемый в турбинной установке. Это позволяет сэкономить топливные ресурсы. Зачастую генерируемый пар имеет высокое давление.
Использование утилизаторов в производственном цикле приносит ряд полезных эффектов: рациональнее расходуется топливо, значительно снижается поступление во внешнюю среду тепловой энергии и вредных соединений. При работе с газами достаточной температуры агрегаты имеют очень высокий КПД.
Газотрубный утилизатор
Газотрубные котлы выпускаются с горизонтальным и вертикальным их расположением, могут использоваться совместно с обжиговыми, мартеновскими и другими печами, которые имеют сравнительно небольшую мощность.
Газ, температура которого около 1200°С, выходит из печи и попадает в нижнюю часть газохода котла. Там установлены W-образные трубные ленточные и экранные настенные поверхности, конвективный пакет пароперегревателя. Тепло превращает воду в пар, и пароводяная смесь начинает циркулировать в указанных поверхностях. Во время работы утилизатор вырабатывает пар, давление которого до 4,5 МПа и температура до 440°С, что позволяет обеспечить электрическую мощность до 8 МВт. Чтобы поддерживать постоянный тепловой потенциал газов, поступающих в утилизатор, установлен предтопок с газовой горелкой.
Все газотурбинные утилизаторы имеют одинаковый принцип работы, независимо от того, в какой отрасли они используются. Они применяются для охлаждения отходящих газов, технологических установок, что имеют небольшую мощность.
