Основные типы котлов-утилизаторов

Котел-утилизатор не имеет собственной топки, принцип его работы простой и эффективный, он основан на использовании теплоты, что выделяется во время технологических промышленных процессов при работе различных агрегатов или энергетических установок.

Если во время работы в составе отходящих газов есть не только физическая, но и химическая теплота (горючие составляющие), то их целесообразно сжечь. Котлы-утилизаторы имеют следующий принцип работы: они генерируют энергию в виде нагретой воды, пара или воздушного потока, она может быть использована во время работы другого оборудования для производства холода или тепла в когенерационных установках.

Одной из специфической особенностей работы промышленного оборудования является то, что в составе отходящих газов содержится много мелких частиц, которые пребывают в твердом, газообразном или жидком состоянии. Они образуются во время работы оборудования и являются частью окалины, металла, шлака, шихты. Во время процесса плавления металла, в составе отходящих газов появляется много жидких частиц. Все это получается из-за того, что печи работают при высоком температурном режиме.

Котлы-утилизаторы позволяют использовать теплоту отходящих газов, что повышает коэффициент использования топлива, уменьшает температуру вынесения технологического сырья, дает возможность его улавливать

На то, как эффективно котлы-утилизаторы будут использовать теплоту отходящих газов, влияет тепловая мощность, которую имеет котел, режим поступления в него газов, температура отходящих газов. От того, сколько будет сжигаться топлива в конкретной технологической установке и какой процесс происходит, будет напрямую зависеть температура и количество отходящих газов. Много шихтовых газов образуется во время работы оборудования, используемого для плавки руд цветных металлов и во время продувки кислородом конвертеров, что преобразуют чугун в сталь.

Еще одним важным фактором, влияющим на работу котла, является режим поступления в него газов. Многие технологические установки имеют циклический принцип, а это, в свою очередь, негативно влияет на эффективность работы котлов-утилизаторов. Часто указанные неудобства возникают на конвертерном производстве, и цикличность работы печей приводит к тому, что котел-утилизатор будет работать с низкой эффективностью.

Работа некоторых технологических установок, таких как газотурбинные электростанции, печи различного назначения, газоперекачивающие установки и т.д., сопровождается выделением в большом объеме выхлопного газа, температура которого может достигать несколько сотен градусов. По ряду причин, включая и экологические, выброс подобной тепловой энергии в атмосферу невозможен. Поэтому были изобретены котлы-утилизаторы, позволяющие передавать тепловую энергию отработанных газов в другие теплоносители, такие как вода или термальное масло.

Отличие котлов-утилизаторов от других видов котлов заключается в том, для их работы не требуется никакого дополнительного топлива, они работают только за счет энергии отработанных газов. И их основные преимущества заключаются в следующем:

● снижаются расходы на очистку выхлопных газов;
● уменьшается выброс загрязняющих веществ в окружающую среду;
● топливо используется более эффективно.

При этом все существующие котлы-утилизаторы различаются не только мощностями или тепловыми характеристиками, но и рядом других признаков. Так, все котлы-утилизаторы условно можно классифицировать по:

● отраслям промышленности:
- котлы-утилизаторы общего назначения;
- котлы-утилизаторы для нефтехимической и нефтеперерабатывающей промышленности;
- котлы-утилизаторы для химической промышленности;
- котлы-утилизаторы для черной и цветной металлургии;
- котлы-утилизаторы для целлюлозно-бумажной промышленности;
- котлы-утилизаторы для азотного и сернокислого производства;

● уровню температур теплоносителя, используемого в котлах:
- котлы-утилизаторы низкотемпературные (температура газа в котле перед охлаждением - менее 1000°С);
- котлы-утилизаторы высокотемпературные (температура газа в котле перед охлаждением - более 1000°С);

● технологическим агрегатам, в которых или за которыми устанавливаются котлы данного типа:
- котлы-утилизаторы для охлаждения газов за конвертерами, мартеновскими, отражательными, прокалочными, нагревательными, шахтными печами;
- котлы-утилизаторы для охлаждения газов за печами обжиговыми, стекловаренными, кислородно-взвешенной плавки;
- котлы-утилизаторы для установок сухого тушения кокса;
- котлы-утилизаторы для охлаждения газов за газовыми турбинами, дизелями и т.д.;

● способу теплопередачи:
- котлы-утилизаторы конвективные (отъем тепла от газов осуществляется путем конвекции);

- котлы-утилизаторы радиационные (отъем тепла осуществляется путем излучения);

- котлы-утилизаторы радиационно-конвективные (отъем тепла осуществляется конвекцией и излучением);

● предназначению труб поверхности нагрева:
- котлы-утилизаторы газотрубные;
- котлы-утилизаторы водотрубные;

● типу циркуляции:
- котлы-утилизаторы с принудительной циркуляцией;
- котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией;

● конструкции профиля:
- котлы-утилизаторы вертикальные;
- котлы-утилизаторы горизонтальные;

● способу установки:
- котлы-утилизаторы подвесные;
- котлы-утилизаторы самоопорные.

В настоящее время применяются следующие основные конструктивные типы котлов-утилизаторов:
1) газотрубные котлы-утилизаторы, используемые в установках малой мощности с низким давлением пара р0 ≤ 15 атм и для начальной температуры отходящих газов tо.г.н ≤ 700 ÷ 800°С;

При использовании теплоты высокотемпературных отходящих газов (Тг > 300-600 °С) устанавливаемые для этого котлы-утилизаторы (КУ) содержат обычно экономайзерные и испарительные поверхности нагрева и пароперегреватель. Глубина охлаждения отходящих газов в КУ зависит от соотношения D/Gг, где D – паропроизводительность котла, кг/ч; Gг – расход греющего газа теплоносителя, м3/ч. С уменьшением начальной температуры греющих газов Тг существенно увеличивается расход газа-теплоносителя, необходимого для выработки единицы пара, а соотношение D/Gг (при D = const) соответственно уменьшается. Так, если для обычных паровых котлов на органическом топливе параметр D/Gг» 1, то для получения пара при использовании низкотемпературных отходящих газов (Тг = 400-600 °С) он составляет 0,12-0,15 [4,5].

Газотрубные КУ широко распространены во многих от­раслях промышленности. Продукты сгорания (отходящие технологические газы) в этих КУ проходят внутри труб, размещенных в водяном объеме барабана. Эти котлы не требуют специальной обмуровки, характеризуются высокой газоплотностью, простотой изготовления, монтажа, обслуживания и пониженными требованиями к питательной воде.

К основным недостаткам КУ подобного типа относятся низкий коэффициент использования теплоты отходящих от технологических агрегатов газов (50—60 %), высокий удельный расход металла на выработку пара (до 8 кг/(кг*ч)). К недостаткам следует также отнести низкий предел давления вырабатываемого пара (всего 1,5-2,0 МПа) из-за наличия барабана большого диамет­ра, ограниченный пропуск отходящих газов — не более 30-40 тыс. м3/ч. Кроме того, внутренние поверхности труб, газотрубных котлов быстро заносятся уносом, поэтому необходимо применять частые чистки труб. Применение газотрубных котлов для использования теплоты низкотемпературных производственных газов целесообразно для установок небольшой мощности, особенно тогда, когда греющие газы имеют повышенное давление или содержат взрывоопасные или ядовитые компоненты.

В зависимости от конструктивного оформления газотрубные котлы делят на горизонтальные и вертикальные.

В типоразмерах газотрубных котлов буквы означают: Г - горизонтальный; В - вертикальный; Б - с дополнитель­ным барабаном-сепаратором; И - с испарительным предвключенным пучком; Э - с экономайзером; П - с пароперегревателем. Для газотрубных энерготехнологических агрегатов буквы дополнительно обозначают: Т - с топкой; Ц - с циклонной камерой сгорания. Цифра после букв Г и В означает площадь основной испарительной поверхности нагрева газотрубного котла, м2.

К газотрубным горизонтальным однобарабанным КУ относятся агрегаты типов Г-250, Г-250П, Г-345, Г-345П, Г-550П и др., предназначенные для выработки насыщенного, а при наличии пароперегревателя — перегретого пара за счет использования теплоты технологических газов.

На рис. 1 показан газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор. В состав его входит: 1– газотрубная система котла; 2 – испарительный внешний барабан; 3 — пароперегреватель; 4 — дымосос.
К недостаткам газотрубных котлов-утилизаторов относятся ограниченная предельная паропроизводительность – не свыше 7,5 т/ч и пригодность для производства пара давлением не выше 15 атм.
Рис. 1. Газотрубный горизонтальный паровой котел-утилизатор.

2) змеевиковые котлы-утилизаторы с многократной принудительной циркуляцией для начальных параметров пара р0 ≥ 18 ата, t0 ≥ 375° С;

На рис. 2 изображена схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией, здесь 1 – водяной экономайзер; 2 – испарительные змеевики; 3 – пароперегреватель; 4 – барабан котла; 5 – циркуляционные насосы; 6 – шламоуловитель; 7 – дымосос; 8 – главный паропровод; 9 – главный питательный водопровод от центральной насосной.

Рис. 2. Схема змеевикового котла-утилизатора с многократной принудительной циркуляцией.

Для нормальной работы змеевиковых котлов-утилизаторов с многократной принудительной циркуляцией необходимо наличие отходящих газов малой запыленности и умеренной температуры. Это устраняет возможность зашлакования трубных пучков змеевикового котла. Преимущества таких котлов, сравнительно с котлами-утилизаторами других типов, сводятся к следующему:
а) уменьшаются затраты металла на котел;
б) имеются практически неограниченная мощность (пропуск газов) и возможность выработки пара повышенных;
в) уменьшаются требования к качеству питательной воды;
г) достигается большая компактность;
д) имеется возможность применять блочные установки.
Поэтому змеевиковые котлы, индивидуальные или блочные с многократной принудительной циркуляцией, являются основным современным типом котлов-утилизаторов, изготовляемых отечественной промышленностью.
В котлах-утилизаторах первых двух типов, устанавливаемых за мартеновскими, металлонагревательными, ватержакетными, нефтеперегонными и другими промышленными печами, используется в основном конвективная теплоотдача газов.

3) водотрубные котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией, работающие на газах с высокой начальной температурой порядка 1000° С и выше.

Преимущества:

В котлах-утилизаторах КУВ реализована оригинальная схема движения теплоносителей, при которой выхлопные газы движутся в межтрубном пространстве, совершая при этом два хода поперек теплообменных труб, а вода внутри теплообменных труб, совершая до четырех ходов.

Конструкция котлов-утилизаторов КУВ не имеет аналогов как в России, так и за рубежом и позволяет обеспечить ряд новых эксплуатационных свойств:

- схема движения теплоносителей позволяет обеспечить высокую тепловую эффективность и требуемое газодинамическое сопротивление при малых габаритах;

- все ответственные элементы конструкции работают при низких температурах, что является предпосылкой высокой коррозионной стойкости и прочности деталей;

- применяемые в котлах-утилизаторах бесшовные гладкие теплообменные трубы по ГОСТ 9941 диаметром 20 мм и толщиной стенки 1 мм обеспечивают стабильные эксплуатационные характеристики благодаря низким темпам формирования накипных и сажистых отложений.

Конструкция котлов-утилизаторов допускает ревизию и очистку теплообменной поверхности:

- межтрубное пространство - химическим способом (моющими растворами);

- трубное пространство - как химическим, так и механическим способом.

В конструкции предусмотрена компенсация температурных деформаций теплообменных труб и обечайки корпуса; благодаря улучшенным массогабаритным показателям стало возможным изготавливать все ответственные элементы котлов-утилизаторов из коррозионностойкой стали 08Х18Н10Т, а при необходимости из кислотостойкой стали 10Х17Н13М3Т по ГОСТ 5632.

На сегодняшний день на предприятиях химической промышленности эксплуатируются котлы-утилизаторы более 60-ти типоразмеров. Наибольшее распространение получили:

* СКУ – серный котел-утилизатор;

* Н – котел-утилизатор для охлаждения конвертированных газов при производстве аммиака;

* КУН – котел-утилизатор для охлаждения нитрозных газов в производстве азотной кислоты;

* КУГ – котел-утилизатор для охлаждения хвостовых газов после газовой турбины в производстве азотной кислоты;

* УС- спиральный котел-утилизатор для использования тепла нитрозных газов;

* ГТКУ – газотрубный котел-утилизатор;

* ПКК – пакетный конвективный котел для сжигания и обезвреживания отбросных газов и др.

Поиск по сайту: