Классификация котлов-утилизаторов
Для того чтобы котел-утилизатор работал эффективно, ему необходимо тепло, которое можно получить в ходе сжигания газов, образующихся от разных технологических процессов. Котел не предназначен для того, чтобы работать, используя собственную топочную камеру
Важно следить за составом используемых газов
Характерной чертой работы промышленных систем утилизации является использование газов, в которых содержаться разнообразные мелкие частицы. Частицы могут находиться как в жидком, твердом, так и в газообразном состоянии. Появлением частиц сопряжено с работой установок, используемых на производстве. Это могут быть металлические частицы, шихт, шлак или окалин.
Что влияет на классификацию котла утилизации:
- Температура газа. Оборудование может быть низкотемпературным и высокотемпературным. При низкой температуры тепловая энергия подается путем посредством конвенции. Высокие показатели говорят об излучении. Если температура превышает 1100 градусов, то стоит ожидать сгорания жидких продуктов и их перехода в агрегатное состояние.
- Пар. Оборудование может работать при низком, повышенном и высоком давлении.
- Передвижение жидкости. Жидкости, пар и продукты сгорания движутся по котлу, который может быть газотрубным или водотрубным.
- Способ передвижения жидкости. То, как жидкость движется в контуре испарения, влияет на естественную и принудительную циркуляцию в котле.
На классификацию котлов влияет комплектация и качество нагревательных поверхностей. Оборудование может быть башенным, горизонтальным и туннельным. Если устройства работают на низких температурах, то их поверхность называется змеевиковой конвективной нагревательной поверхностью.
Практическое применение котлов-утилизаторов
В качестве реального примера применения котлов-утилизаторов можно привести нефтеперерабатывающие и металлургические заводы. В процессе переработки нефти или плавки металла образуется огромное количество энергии, которую никак невозможно применить в производственном процессе кроме, как пустить на котел-утилизатор и использовать для других целей, таких как отопление помещений, горячее водоснабжение (ГВС), кондиционирование (производство холода), или производство пара для покрытия сторонних технологических нужд.На НПЗ применяются термомасляные котлы утилизаторы, в которых температура теплоносителя может достигать 350 градусов Цельсия. Этой температуры вполне достаточно для того, чтобы постоянно поддерживать нефтепродукты с высокой вязкостью, такие как мазут, гудрон и битум, в жидком состоянии. Это дает возможность в любой момент произвести перекачку нефтепродуктов и их отгрузку потребителю.
На металлургических заводах посредством котлов-утилизаторов тепло отходящих газов передается воде. В результате этого образуется большое количество пара, часть из которого служит для обеспечения процесса плавки стали, а часть идет на бытовые нужды (отопление, подогрев воды).
Котлы-утилизаторы стали неотъемлемой частью следующих объектов:
- Предприятия черной и цветной металлургии;
- Нефтеперерабатывающие заводы;
- Газотурбинные и газопоршневые электростанции единичной мощностью от 1000кВт до 18 МВт;
- Газоперекачивающие компрессорные станции;
- Хлебопекарные заводы;
- Производства резинотехнических изделий;
- Фармацевтические предприятия;
- Производства смол и пластиков;
- Производства электронных компонентов;
- Печатные предприятия.
Технические характеристики, параметры подбора утилизаторов
Как правило, сбросные системы для отработанных газов на промышленных предприятиях имеют массу индивидуальных отличий. Тогда как теплотехнические условия, создаваемые котлами хозяйственного или бытового назначения, гораздо более однообразны (типичны). Поэтому утилизационные системы для промышленных и больших коммунальных предприятий обычно требуют индивидуального проектирования, для малогабаритных типовых котельных или бытовых отопительных котлов (печей) – могут быть подобраны из серийных (типовых) моделей.
К основным техническим характеристикам утилизаторов (экономайзеров) относятся:
- теплообменная площадь, м2;
- тепловая мощность, Вт;
- производительность по воде или пару, м3/ч;
- рабочее давление в водяном контуре, Бар
- максимальная и рабочая температура газа на входе;
- температура газа на выходе;
- аэродинамическое сопротивление, Па;
- гидравлическое сопротивление водяного контура, Па;
- материал изготовления (жаропрочный, коррозионностойкий).
Для качественного подбора утилизатора тепла для своей системы отвода отработанных газов, следует знать (определить) такие ее параметры:
А) Свойства отработанных газов:
- физическая плотность;
- точка росы для компонентов газа;
- химический состав;
- загрязненность и склонность к отложениям.
Б) Условия в сбросной системе (дымоходе):
- температура газа на входе и выходе;
- количественный расход отработанных газов (объемный или массовый);
- тепловой поток;
- расчетное давление газа;
- допустимая потеря давления газа в теплообменнике.
В) Требуемые параметры для водяного контура:
- температура воды на входе;
- требуемая температура воды на выходе;
- требуемая производительность по горячей воде;
- рабочее давление;
- допускаемая потеря давления (гидравлическое сопротивление);
- расчетный срок службы.
Что такое котел утилизатор
Котлы для регенерации бросового тепла устанавливаются в промышленности, особенно на заводах по выработке этилена и аммиака, серной и азотной кислот. Котлы утилизаторы отходящих газов паросиловых установок применяются, чтобы повысить общий К.П.Д. тепловых станций.
Источник фото: hurstboiler.com
Конструкционно котел выполнен, как нечто среднее между обычным кожухотрубным теплообменником и жаротрубным котлом. Его первоначальной функцией было охлаждение высокотемпературного отработанного газа, в качестве побочного продукта, он выполнял генерацию пара низкого давления.
Сегодня аспект защиты окружающей среды приобретает все большее значение, требования к условиям эксплуатации, стали все более жесткими, поэтому выработка вторичных энергоресурсов, стала неотъемлемой частью любого нового или реконструированного проекта.
Вторичная энергия, полученная от КУ в виде пароводяной или воздушной смеси, используется при производстве электроэнергии или в когенерационных схемах. Котлы изготавливаются, как отечественными, так и зарубежными заводами и предназначены для регенерации вторичных энергоресурсов.
При всем внешнем сходстве с обычными технологическими котлами, утилизаторы обладают значительными отличиями.
Особенности оборудования:
- В конструкции отсутствует топочное устройство или камера сгорания, если использует тепло, от других тепловых процессов. Топка в таких котлах применяется, если в рабочих средах есть химический компонент тепла, который необходимо получить в процессе горения.
- Наличие микро отходов в дымовых газах (пыль, несгоревшее топливо, металлические частицы) связанных с технологией, поэтому требуется, чтобы утилизаторы имели не менее двух отсеков с газотурбинными камерами и перепускной канал с вентилем для регулирования рабочих параметров горения. Этот обход используется утилизатором, для эффективного теплообмена и сводит к минимуму аварии из-за температурных и эрозионных перенапряжений корпуса, работающего в экстремальных зонах. С этим также связано то, что рабочие элементы и расходные материалы изготавливаются из специальных марок стали.
- Корпус загерметизирован, а испарительные змеевики замкнуты в одном контуре использующий циркуляционный насос и по газовому тракту, имеющий выход в дымоход.
- Корпус выполнен из стальных листов толщиной от 15 до 20 мм, который должен надежно противостоять интенсивному рабочему процессу, в среде с высокими параметрами по давлению и температуре.
- Обычно газовые поверхности защищены от износа специальными трубными гильзами стали X17. Также конструкция КУ должна обеспечивать герметизацию установки.
- Испарительные элементы, установленные в газоходах котла создают общий циркуляционный контур.
- Уходящие газы после технологических процессов имеют в своем составе пыль и другие агрессивные вещества, которые нужно удалять до поступления в котел. Для этого используют мощные циклоны и электрофильтры, но даже они не обеспечивают полную очистку газовой среды.
- Пыль неравномерно откладывается на поверхности нагрева и снижает теплоотдачу, что вызывает перекос змеевиков из-за неравномерности нагрева, а присутствие в газах соединений Ca, Na, S способствуют образования на поверхностях нагрева твердых отложений, вызывающих коррозию в контуре испарения, влияет на проходимость сред. Поэтому современные КУ оборудуются топкой для дожигания уходящих газов.
Типичный КУ имеет:
- барабан;
- испаритель без перегревателя;
- экономайзер воды.
Эффективность теплообменника зависит от трех факторов: температуры газа на входе в котел, объема и способа доставки источника вторичных энергоресурсов.
Котлов-утилизатор
Отличительной особенностью котлов-утилизаторов, как оборудования для генерации пара, является необходимость обеспечения пропуска большого количества греющих дымовых газов на единицу вырабатываемого водяного пара ( ЕУД. Это отношение является прямой функцией начальной па входе в аппарат температуры дымовых газов и их расходом.
В большинстве котлов-утилизаторов тепловоспринимающие поверхности располагаются по ходу продуктов сгорания следующим образом: пароперегреватель, испаритель и водонагреватель. В данных котлах тепло в основном передается конвекцией.
При наладке котлов-утилизаторов следует проверять равномерность и устойчивость циркуляции, регулируя гидравлическое сопротивление змеевиков установкой шайб, как это делается на обычных паровых котлах.
При разработке котлов-утилизаторов принимался минимальный температурный напор А / мин 30 С, а недогрев воды до точки кипения в водяном экономайзере составлял 40 С.
Компоновка котла. |
Трубная система котлов-утилизаторов имеет различные конфигурацию и расположение труб по типу стационарных или судовых котлов. Как и в котлах сбросных ПГУ, в котлах-утилизаторах с топкой для сжигания дополнительного топлива воздушный подогреватель может заменяться газоводяным.
Отдельные виды котлов-утилизаторов, рассмотренных в книге, постепенно заменяются котлами более современной конструкции или подвергаются модернизадии. Однако принципы организации ремонтов и рекомендации по повышению уровня эксплуатации, изложенные в книге, достаточно универсальны и применимы для котлов-утилизаторов различных типов.
Условия эксплуатации котлов-утилизаторов в различных производствах весьма разнообразны. Рассмотрим некоторые из них. Малые скорости обжиговых газов в котлах типа ВТКУ ( до 3 м / с) исключают эрозионный износ и самоочистку поверхностей нагрева котла, что приводит к их интенсивному заносу и повышению температуры за котлом и перед электрофильтрами сухой газоочистки. Обслуживающий персонал часто допускает продолжительную работу котлов-утилизаторов с превышением температуры газов на выходе на 100 — 150 С относительно регламентированной, что способствует увеличению отложений на поверхностях нагрева.
Узким местом котлов-утилизаторов являются пароперегре-вательные элементы, работающие в условиях псевдоожиженно-го слоя колчедана. Вследствие эрозионного износа труб змеевиков срок службы элементов из стали 12Х1МФ составляет всего 6 — 8 месяцев. Пароперегревательные блоки из стали 1Х11В2МФ работают в течение двух лет, однако и в этом случае трубы змеевиков подвергаются эрозионному износу. Срок службы испарительных элементов кипящего слоя составляет 3 — 3 5 года, при этом новые типы ширмовых водотрубных котлов-утилизаторов ВТКУ через 25 — 30 сут требуют остановки для чистки ширм, поскольку отсутствует их самообдувка.
Котел-утилизатор КУ-16. |
При конструировании котлов-утилизаторов, использующих тепловые отходы, следует учитывать содержащиеся в греющих газах агрессивные компоненты, например, сернистые газы, поступающие из печей обжига серосодержащего сырья. Если в подводимых к котлу технологических газах есть горючие составляющие, организуют их предварительное дожигание в радиационной камере, которая в этом случае фактически превращается в топку.
Капитальный ремонт котлов-утилизаторов осуществляется для полного или близкого к полному восстановления их ресурса и предусматривает замену или восстановление любых его частей, в том числе базовых. Объем капитального ремонта включает: объем текущего ремонта; ремонт барабана котла; замену или бандажирование штуцеров барабана; замену труб поверхностей нагрева, соединительных труб в пределах котла, коллекторов, испарительных и пароперегревательных элементов; ремонт и замену металлоконструкций котла и восстановление антикоррозионного покрытия металлоконструкций.
Схема замены пакетов поверхностей нагрева котла-утилизатора. |
При эксплуатации котлов-утилизаторов и ремонтах выявляются конструктивные недоработки, связанные с обеспечением стационарными и инвентарными средствами механизации, оптимальными техническими решениями их компоновки.
Надежность работы котлов-утилизаторов можно существенно повысить, если автоматизировано управление тем производством, в составе которого они установлены. При решении проблем автоматизации производств возникают трудности, преодолеть которые не всегда просто. Поэтому рассмотрим, например, схему автоматизации участка обжига сернокислотного производства. Схемой предусмотрена стабилизация всех контролируемых переменных, для которых имеется конкретный регулирующий орган.
Характеристики котлов утилизаторов
Целесообразность применения таких котлов объясняется потребностью сжигания газов, в которых имеется составляющая топливной структуры, особенно это применимо для дизелей и двигателей внутреннего сгорания.
Работа котлов утилизаторов основана на следующих особенностях: они производят и аккумулируют энергию в виде сильно нагретой воды, потоков пара или конвекции воздуха.
Эта энергия может свободно использоваться для получения других видов энергии или механической работы.
Котел утилизатор устройство которого открывает широкие перспективы для использования энергии тепла от сгорания топлива – это значительно увеличивает коэффициент полезного действия самого топлива и установки, уменьшает температуру нагрева агрегата, позволяет улавливать вредные газы и выхлопы.
Эффективность работы утилизатора зависит от трех факторов: температура газа, который поступает в котел, его объем и способ подачи.
Температура газа и его объем напрямую зависят от вида производства. Статистика показывает, что самые большие отходы газов имеет нефтеперерабатывающая отрасль. Также, очень много газовых выбросов образует металлургическая промышленность.
В этом производстве образуется шихтовый газ – среда, в которой содержится металлическая окалина, которая создает хорошие условия для воспламенения и сжигания газа.
Режим, который объясняет поступление газа в котел, является не менее важным фактором. Большинство технических установок имеет циклический характер подачи, а это не очень хорошо влияет на “питание” котла утилизатора.
В этом случае котел работает с очень малыми объемами газа, а это значит, что их дополнительное применение нецелесообразно.
Часто такое наблюдается в цехах инверторного производства сварочных работ аргоновой сваркой, где используется замкнутый цикл без большого количества отходов.
Устройство агрегата
При всей внешней схожести с обычными индустриальными котлами утилизирующее оборудование имеет существенные отличия. Преимущественно они обусловлены особенностями греющего теплоносителя, в устройстве которого делается расчет на возможность охлаждения запыленных газов. В ином случае камера теплового обмена может запылиться и утратить рабочие качества, так как будет увеличено и гидравлическое сопротивление по отношению к проходящим смесям. Типовые конструкции газовых котлов-утилизаторов предусматривают наличие двух отсеков с газотурбинными камерами. За функцию регуляции рабочих параметров сжигания отвечает перепускной газоход с шибером. Это своего рода байпас, одновременно повышающий эффективность регуляции теплообмена и минимизирующий аварии из-за механического перенапряжения корпуса. Поскольку речь идет о работе в условиях экстремальных температур, функциональные элементы и расходники выполняются из специальных марок сталей. В частности, трубы с предохранителями имеют жаропрочные покрытия и закаленную основу. Сам корпус тщательно герметизируется, а испарительные контуры замыкаются в одну циркуляционную цепь с выводом в дымоход.
Котел утилизатор
Котел утилизатор представляет собой теплообменное устройство, которое использует теплоту газотурбинных установок, печей, выхлопных газов дизелей или сушильных барабанов для передачи энергии тепла или пара в теплую воду или пар, осуществляет подогрев конденсата паровой турбины. По сути, позволяет получать горячую воду и пар. Оборудование может работать при изменении температуры и расхода газов, вызванные изменением температуры воздуха в диапазоне -36 +34°С. Рабочий диапазон нагрузок идентичен диапазону нагрузок газотурбинной установки и составляет 100%, 50% от номинальной.
Котлы утилизаторы газов широко используются в пищевой, текстильной, нефтяной и химической промышленности, устанавливаются на газовых, паровых и дизельных электростанциях, газовых, дизельных котлах и микротурбинах. Они существенно повышают эффективность работы оборудования, которое образует выхлопные газы и пар. Для обслуживания, ремонта и пусконаладочных работ используются специальные лазы, лестницы и площадки.
Котел утилизатор. Устройство.
Котел утилизатор это сложное оборудование, элементы которого прочно соединены между собой болтовыми соединениями. Котел оснащен защитной, регулирующей и запорной арматурой, предполагает дренажи, воздушники, устройства для отбора проб воды/пара, а также контрольно-измерительные приборы. Современные агрегаты имеют не только надежную систему защиты, но и различные блокировки, автоматизированную систему дистанционного управления. Поэтому эксплуатация, обслуживание и проведение предпусковых работ не доставит лишних проблем.
Все продукты сгорания, которые образуются в процессе работы, через дымовую трубу удаляются в атмосферу, объем выбросов определяется концентрацией окислов азота.
Учитывая, что котел работает при скользящих параметрах пара, то давление и температура пара не регулируются, а для снижения температуры уходящих газов на котле установлен газовый подогреватель конденсата, который работает автономно.
Крупные промышленные модели не имеют всех элементов котлоагрегата. Вторичные отходящие газы попадают сразу на экономайзер, испаритель и пароперегреватель. Воздухоподогревателя и топки нет, а газы, которые используются в котле, образуются в технологическом процессе основного производства. Температура газов, которые поступают, составляет приблизительно 350—700°C.
Газоход котла оборудован металлической обшивкой. Поверхности нагрева, которые в нем размещены, подвешены к потолочному перекрытию каркаса. Барабаны опираются на металлический каркас. Металлическая обшивка в свою очередь крепится к колоннам каркаса в районе поверхностей нагрева.
Изнутри диффузор и газоход покрыты изоляцией, поверх нее установлена металлическая обшивка. Выходная часть газохода имеет наружную изоляцию и декоративную обшивку. Входная и выходная части опираются на металлоконструкции.
Поверхности нагрева представляют собой вертикальные блоки из труб, имеют наружное поперечное просечное и сплошное оребрение. По ходу газов последовательно расположены ПВД, ИВД, ЭВД, ПНД, ИНД, ГПК.
Электрифицированный отсечной клапан позволяет поддерживать котел при остановке в горячем состоянии, установлен в выходной части газохода. За ним следует двухступенчатый шумоглушитель и компенсатор.
Металлическая обшивка делает котел газоплотным. Пароводяной тракт представлен отдельными контурами высокого и низкого давлений. В контур высокого давления входит экономайзерная, испарительная и пароперегревательная поверхность, в контур низкого – только испарительная и пароперегревательная.
Поверхности нагрева выполнены из труб, имеющих наружное спиральное оребрение, они поставляются модулями, а их габариты ограничены габаритами ж/д пути.
Металлические конструкции, опоры и площадки
площадки обслуживания котла-утилизатора
Металлические конструкции должны выдерживать сейсмические нагрузки в дополнение к собственному весу оборудования, дополнительных элементов, веса воды, снега, персонала, выдержать приложения сил и их моментов в трубах, вес лестниц и площадок и других нагрузок, которые возникают при нормальной работе станции.
Конструкция опор котла должна обеспечить свободное расширение элементов вниз. Все опорные конструкции, включая: колонны, ригели, балки, подпорки, подкладки и стойки будут покрашены заводской краской.
Котел будет снабжен подкладками для центрирования трубок, а также для восприятия вибрации в трубах.
Опоры будут изготовлены из материала способного постоянно выдерживать максимальную температуру, при которой они могут использоваться.
Пролеты, лестницы и площадки обслуживания будут не менее 1 м в ширину, и удобны для работы персонала во время технического обслуживания, ремонта и осмотров. Лестницы и площадки обеспечат безопасный и быстрый доступ: к входным отверстиям для осмотра, проведения проверочных работ, к элементам, требующим постоянного контроля или обслуживания, а также к устройствам, которые при нормальных или аварийных режимах работы требуют ручного управления. Площадки будут изготовлены из стальной рамы и решеток. Лестницы и площадки будут оснащены ограждениями, с учетом самых тяжелых частей, которые могут быть на них установлены во время работы, ремонта и т.д.
Комплектация котла-утилизатора
Хотя и в базовом оснащении конструкции такого оборудования получают широкий набор вспомогательных устройств, по мере расширения предприятия или в ходе его переориентации может возникнуть потребность в разного рода дополнениях. В частности, системы защиты представляют собой навесные элементы, предохранительные блоки, жаростойкие экраны и запорные клапаны. Для устройства сложных циркуляционных систем применяется сантехническая арматура, позволяющая конструировать теплообменники разного устройства. Для поддержки достаточного давления котел-утилизатор также обеспечивается насосным оборудованием и вентиляторами с функцией нагнетания воздуха.
Условное обозначение и модификации:
Условное обозначение типоразмера водотрубного парового котла — утилизатора (далее — КУ) парогазовых установок должно состоять из разделенных тире и последовательно расположенных обозначений и индексов в указанной ниже последовательности:
— тип движения среды в пароводяном тракте котла; — индекс наличия дожигающего устройства; — номинальная паропроизводительность контура, т/ч; — абсолютное давление пара (в контуре), МПа; — температура пара (в контуре), °С; — индекс наличия независимого контура подогрева воды в газо-водяном подогревателе или в водо-водяном теплообменнике (допускается указывать при необходимости).
Типы движения среды или тип КУ определяются схемами движения рабочих сред в контурах, которые подразделяются на нижеследующие:
Пр — с принудительной циркуляцией; Прп — с принудительной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
Е — с естественной циркуляцией; Еп — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара; П — прямоточные; Пп — прямоточные с промежуточным перегревом пара.
В КУ с несколькими контурами движения пароводяной среды каждый контур может обозначаться своей буквой (Пр, П, Е), соответствующей типу движения пароводяной среды в контуре КУ. Если в КУ применены контуры одинакового типа движения пароводяной среды, то используется объединенное однобуквенное обозначение. Если второй и последующий контуры будут одного типа, то буквенное обозначение может быть показано одной буквой для второго и последующих контуров. Кроме того, для КУ с дожиганием топлива в газовом тракте после вышеуказанных буквенных обозначений обязательным является добавление индекса «д» (КУ с дожиганием топлива в газовом тракте котла-утилизатора).
Индексы, указывающие на наличие в котле-утилизаторе независимых контуров подогрева воды, не используемой в других контурах КУ и подаваемой непосредственно сторонним потребителям, обозначаются «гв» и «вв» :
гв — с независимым контуром подогрева воды в газо-водяном подогревателе, не используемой в других контурах КУ и подаваемой непосредственно сторонним потребителям;
вв — с водо-водяным теплообменником для подогрева воды, не используемой в других контурах КУ и подаваемой непосредственно сторонним потребителям.
При обозначении независимого контура подогрева воды в газо-водяном подогревателе или водо-водяного теплообменника указывается его максимальная мощность.
Пример условного обозначения:
ППрЕд-330/380/82-14,5/3,1/0,59-580/580/306-5,3вв
Паровой котел-утилизатор трехконтурный с дожиганием и с промперегревом пара. Контур высокого давления с прямоточным движением среды номинальной паропроизводительностью 330 т/ч, контур среднего давления с принудительной циркуляцией номинальной паропроизводительностью 380 т/ч, контур низкого давления с естественной циркуляцией номинальной паропроизводительностью 82 т/ч, с абсолютным давлением пара в контуре высокого давления 14,5 МПа, среднего давления 3,1 МПа, низкого давления 0,59 МПа, с температурой пара в контуре высокого давления 580 °С, среднего давления 580 °С, низкого давления 306 °С, с водо-водяным теплообменником независимого контура подогрева воды максимальной тепловой мощностью 5,3 МВт.
Условные обозначения и аббревиатуры, применяемые при обозначении котлов- утилизаторов в других отраслях промышленности:
Пример расшифровки условного обозначения котла-утилизатора:
КУ-100Б-1Б
— тип котла -КУ (котлы-утилизаторы); — 100 — расход газов — 103 нм3/час; — тип модификации-1; — компоновка — Б — башенный.
Котлы типа ОКГ:
— ОКГ — охладитель конверторных газов; — число, стоящее за буквенной аббревиатурой, показывает емкость конвертора, т; — 1,2 — тип модификации; — БД — без дожига; — У — унифицированный.
Для остальных котлов: -ЦП – центральный перегреватель; -РКК – радиационно-конвективный котел; -РКФ – радиационно-конвективный котел, фьюминговая печь; -РКЭП – радиационный котел для установки за электропечами; -КСТК – котел сухого тушения кокса; -ПКК – пакетно-конвективный котел; -РКЖ – радиационно-конвективный, жидкой ванны; -РКГЖ – радиационно-конвективный губчатого железа; -К – конвективный; -КВ – конвективный водогрейный; -КГТ – котел за газовой турбиной; -КУВ – котел утилизатор водогрейный;