Котлы утилизаторы: устройство и схема работы

Эффективность применения котлов-утилизаторов объясняется целесообразностью сжигания газов, в которых имеется составляющая топливной структуры.

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.

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.

Для эффективной работы КУ применяют тепло, выбрасываемое от других производственных процессов, поэтому устройства, в большинстве случаев, не имеют камеру сгорания. Поскольку они работают в агрессивной среде и в зонах высоких температур, ремонт котлов утилизаторов проводится намного чаще, чем основного технологического котельного оборудования.

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:

1. 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.
2. 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.
3. Корпус загерметизирован, а испарительные змеевики замкнуты в одном контуре использующий циркуляционный насос и по газовому тракту, имеющий выход в дымоход.
4. 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.
5. Обычно газовые поверхности защищены от износа специальными трубными гильзами стали X17. Также конструкция КУ должна обеспечивать герметизацию установки.
6. Испарительные элементы, установленные в газоходах котла создают общий циркуляционный контур.
7. 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.
8. 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.

Зачем нужны котлы утилизаторы?

В реальной жизни человек привык к тому, что энергией называют только электричество. На деле помимо электричества существует еще и тепловая энергия. Причем не известно, что важнее. Тепловая энергия регулярно используется человечеством в виде тепла для приготовления пищи, горячей воды и пара, который вращает огромные турбины для получения того самого электричества.

Но технологический процесс зачастую не предусматривает утилизации остаточного тепла в уходящих газах. В особенности это касается высокотемпературных химических производств и заводов металлургии. Уходящие газы здесь достигают температуры 1200 градусов. Помимо бесполезной траты денег, выброс газов приводит к ухудшению экологической ситуации. Использование котлов-утилизаторов значительно снижает ущерб, наносимый окружающей природе.

Схема работы газотурбинной установки с котлом утилизатором

Что такое утилизаторы

В тепловых аппаратах и машинах различного типа, таких как печи, котлы, турбины, двигатели внутреннего сгорания, работающих на горючем топливе, с отработанными (печными, выхлопными) газами выносится и безвозвратно теряется значительная часть сгенерированной тепловой энергии. Известно, что КПД даже самых экономичных тепловых машин, таких как паровые и газовые турбины, едва достигает 40 – 45 %. Еще большие потери тепловой энергии происходят в промышленных технологических процессах, в которых получение тепловой энергии не является самоцелью, например, в плавильных или разогревающих печах и камерах, химических и пищевых реакторах, подогревателях и др. Тепловая энергия для промышленных, хозяйственных или бытовых целей – это в подавляющем большинстве случаев – израсходованное горючее топливо (нефтепродукты, уголь, древесина, горючие газы, др.) или электричество, представляющие значительную материальную ценность. А потому все возможности по их экономии представляют большой коммерческий интерес. Одним из эффективных способов экономии материальных ресурсов и получения дополнительных объемов тепловой энергии для промышленных, хозяйственных и бытовых целей является его утилизация из отработанных (выхлопных) газов. Технически данная задача решается с помощью утилизаторов, или экономайзеров. Утилизатор тепловой энергии отработанных газов (экономайзер) — это теплотехнический аппарат-теплообменник рекуперационного типа, размещаемый в канале сброса отработанных газов, в котором происходит отбор тепла от горячих отработанных газов и нагревание канализированного холодного теплоносителя. Нагреваемым теплоносителем в утилизационных системах обычно выступает холодная вода. Результатом такого теплообмена является утилизация некоторой (часто – очень значительной) части тепловой энергии отработанных газов, и получение горячего водяного пара или горячей воды, которые расходуются в интересах водяного или парового отопления, горячего водоснабжения, технологического подогрева. Для утилизаторов (экономайзеров) существует понятие глубины утилизации, которое выражается в степени охлаждения отработанных газов. Для многоступенчатых («многоэтажных») экономайзеров возможна довольно большая глубина утилизации, с охлаждением отработанных газов в среднем от 300 °C до 50 °C.

Котлы утилизаторы ПГУ

Как правило, все утилизаторы состоят из одинаковых основных элементов, имеют схожую конструкцию и аналогичный принцип действия.

Котел состоит из нагревательной камеры, металлических камер для испарения воды, установки по дымоулавливанию. Это необходимо для аккумуляции газового облака и прессовке его в ресивер – специальный накопитель, который рассчитан на давление 5 атмосфер.

Принцип действия состоит из трех последовательных этапов:

• отработка или газ попадает в системы улавливания дыма принудительно. Как правило, дым засасывается компрессорами обратного давления и попадает в ресиверы, оснащенные системой дозировки и подачи. Использование ресиверов способствует бесперебойной работе котлов;
• выхлопной дым подается из накопителя в камеру сгорания, где дожигается раскаленными электродами, образуя огромные количества тепловой энергии;
• вода, испаряясь в камерах, образует пар, который может воздействовать на крыльчатку генераторных турбин или производить механическую энергию для подвижных устройств или механизмов.

Настенные электрические котлы Protherm – это альтернатива газовому отоплению с целым рядом неоспоримых преимуществ!

Подробнее о деаэраторе дв, читайте здесь.

Такие котлы не оснащаются отдельной камерой-топкой как другие отопительные устройства, использующие твердотопливное или жидкое сырье.

Использование отдельной камеры нецелесообразно, так как дым или выхлопной газ – легкое сырье, склонное к утечкам, которое сразу же дожигается. По такому принципу работают все котлы утилизаторы пгу.

Применение котлов утилизаторов

Котлы утилизаторы нашли широкое применение в промышленном секторе и системах жизнеобеспечения, используя энергию уходящих газов.

Поскольку устройство не подключено к системам топливоподачи или другим источникам природных энергоносителей, для эффективности схемы регенерации котел устанавливают непосредственно в точке бросовой энергии.

Области применения устройств для использования вторичных энергоресурсов:

• в схеме повышения эффективности работы ТЭС;
• утилизация выбросов после работы ГТУ;
• утилизация тепла в черной и цветной металлургии;
• утилизация выбросов химической промышленности и азотных удобрений;
• технологических циклах целлюлозно-бумажной отрасли;
• строительных материалов;
• нефтяной отрасли.

В России несколько заводов выпускающие подобное оборудование, их номенклатура способна удовлетворить широкий спектр использования вторичных энергоресурсов. Отличительной чертой таких КУ является их уникальность, поскольку они выпускаются индивидуально под реальные выбросы, фактически установленное оборудование и площадку для монтажа.

Виды котлов-утилизаторов в России:

1. Объекты малой энергетики от 2 до 60 МВТ, водогрейный тип, с естественной циркуляцией воды, топкой или без, имеющие горизонтальное или вертикальное движение газовой среды.
2. Блоки до 300 МВТ, паровые КУ, моно или дубль блоки ПГУ или дополнения к схемам существующих ЭС в паре: газотурбинная установка и котел утилизации.
3. Блоки до 850 МВТ, паровые котлы в схеме ПГУ.

Основные технические данные КУ для энергетики:

• паропроизводительность от 10 до 300 т/ч;
• давление среды от 0.46 до 12.7 Мпа;
• использование температуры от 200 до 560 С.

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.

Продувка котлов

Несмотря на универсальное устройство барабанных котлов с естественной системой циркуляции, они всё же нуждаются в периодическом профилактическом обслуживании, заключающемся в процессе непрерывной продувки. Технология продувки сводится к отведению из парового агрегата избыточных солей, аккумулирующихся в котловой жидкости и придающих избыточную жёсткость, наряду со шламом и щелочами. Выполняя непрерывную продувку барабанного котла, производят замену воды, добавляя жидкость, содержащую меньшое количество солей.

Рис. 5 Технология продувки котла

Технические характеристики парового котла на примере реализованного проекта:

• Котел-утилизатор паровой SGCD-26,9-900-1800/4000-1H-1AX-VR-10
• Тепловая мощность 1782 (2х891) кВт
• Производительность пара 2640 (2х1320) кг/ч
• Давление пара 7 бар
• Характеристики пара Насыщенный пар
• Температура питательной воды 90°С
• Расход питательной воды 2×1320 кг/ч
• Максимальное давление 10 бар

Классификация

Выделим основные виды котлов-утилизаторов:

• По конструктивному обустройству системы труб: водотрубные и газотрубные котлы.
• По температуре используемого газа: низкотемпературные и высокотемпературные.
• По параметрам пара на выходе из котла: низкого давления, повышенного давления и высокого давления.
• В зависимости от конструкции: туннельный, башенный и горизонтальный. Конструкция в основном выбирается в соответствии с особенностями помещения и используемыми газами. Туннельный тип наиболее эффективный, поскольку он подразумевает длинный путь прохождения уходящего газа.

Кроме того, выделяют котлы с естественной и вынужденной циркуляцией жидкости и газов. Но использовать естественную циркуляцию сегодня невыгодно. Это было оправдано в годы, когда насосное оборудование стоило дорого и не было возможности подобрать устройство для каждой конкретной машины. Сегодня такая возможность есть.

Использование принудительной циркуляции позволяет уменьшить габариты котла, сделать его более эффективным и экономически целесообразным. Эффективность котла измеряется в Вт, то есть единицах тепла в единицу времени. Мощность котла соотносится с теплопотребностью здания при выборе оборудования.

При подборе утилизатора учитывается так же и максимальные возможности уходящих газов по отдаче тепла. Вытянуть всю энергию не получится, это противоречит второму закону сохранения энергии.

Особенности когенерационных и пиролизных котлов

Это два типа утилизаторов, которые напрямую не относятся к промышленным технологическим сжигателям отходов. Что касается когенерационной установки, то она принимает в качестве топлива не только газы, но и полимерные твердотельные материалы, позволяя получать на выходе и горячую воду с паром, и электроэнергию. Столь широкая функциональность достигается за счет интеграции в устройство дополнительных силовых агрегатов, которые и обеспечивают высокую производительность. Для сравнения, обычный паровой котел-утилизатор проектируется с расчетом на полную независимость от сторонних источников энергии. Его работа энергетически обеспечивается отходами промышленных печей. В свою очередь, пиролизные котлы осуществляют вторичную переработку не только в условиях производства, но и в быту. Их особенностью является универсальность с точки зрения подключения к отопительным агрегатам с разными конструкциями и рабочими характеристиками.

Куда расходуется пар?

Утилизаторы устанавливаются на заводах. Завод это не только станки и плавильни, еще это сеть столовых, залы для отдыха и система отопления. Чаще всего пар используется для нужд самого завода. Этот теплоноситель бежит по трубам отопления, подогревает воду для хозяйственных целей, используется для нагрева поступающего в помещения воздуха.

Если мощности завода позволяют, то частично пар может использоваться для отопления близлежащих домов. Но это большая редкость, поскольку столь громадные предприятия в наше время убыточны, а потому не нужны.

Тепловой расчет утилизатора

Для выполнения теплового расчета КУ потребуются данные уходящих газов от первичной установки генерации заданные параметры сред. Задача состоит в определении показателей сред, участвующих в процессах теплопередачи по конструктивным элементам утилизатора.

Например, расчет КСТ -80 с исходными данными:

• Максимальный расход газов G0=6,500 тыс.м3/ч;
• Параметры пара: Рпп=4 Мпа, tпп=430С;
• Параметры газов перед КУ 750С;
• Температура воды tпв=100С.
• Состав газовой среды: С02=7.0 %, СО=16.0 %, N2=60. 0%, H2=12.0%, SO2=1.0 %, H2O=4.0 %.

Пример расчета приведен в таблице.

Утилизаторы для дома

Котлы-утилизаторы для дома не используются и точка. Это огромные агрегаты промышленного назначения. Утилизировать газы, которые появляются в процессе эксплуатации дома просто нерентабельно, а значит не нужно. Поэтому для домов любых размеров, включая многоквартирные строения, утилизаторы не используются. Этот аппарат был изобретен для заводов и исключительно в промышленности используется до сих пор.

Системы управления котлами

Самая простая схема регуляции рабочих параметров реализуется через органы ручного контроля. Корпус содержит панель с ключевыми инструментами, позволяющими устанавливать настройки по температуре, давлению, времени сгорания и т. д. В более современных модификациях котел-утилизатор снабжается электронными средствами управления. К основному реле могут подключаться датчики, контроллеры, таймер с контрольно-измерительной аппаратурой и модули дистанционного управления. Оператор с диспетчерской комнаты полностью контролирует процесс, а при необходимости программирует автономную работу оборудования на определенные режимы с заданными параметрами.

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.

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.

Правила выполнения ремонта паровых агрегатов

Осуществляя ремонт, необходимо придерживаться следующих правил:

• отслеживать температуру шлифовального круга – не допускать перегрева;
• создание плавных переходов в местах выборки – должны отсутствовать заусенцы и острые углы;
• растачивание уступов на трубных отверстиях;
• обязательное выполнение повторной дефектоскопии магнитопорошковым методом;
• зачистка абразивным кругом металлической поверхности, имеющей ширину от 10мм.

Выполняя ремонт парового агрегата, на внутренней поверхности барабана наплавляют металлические пластины, имеющие толщину порядка 15мм. Предварительно выполняется подогрев области наплавки, разогреваемой до 150 — 200°C.

Внимание!

Когда делают ремонт указанным способом, предусмотрительно расширяют зону подогрева относительно области наплавки, приблизительно на 150мм с каждой из сторон. Контроль над температурными показателями в процессе ремонта парового агрегата осуществляют с использованием термопар, которые привариваются на границах зон.

Если ремонт проводится методом однослойной наплавки, то валики следует располагать перпендикулярно барабанной оси, каждый последующий из них, должен перекрывать предыдущий на 1/3. Осуществляя ремонт по технологии многослойной наплавки, отдают предпочтение чередованию слоёв. Ремонт по технологии многослойной наплавки, направлен на увеличение толщины стенок на 3-5мм.

Внимание!

Требуется добиться объёма наплавляемой стали на уровне 400см3/м2.

Заводы по производству котельного оборудования

Монастырищенский завод начал производство котельного оборудования еще в 1957г, он снабжал передовыми механизмами все республики СССР. Большинство котлов поставленных заводом работают до настоящего времени.

Надежность и эффективность их была такой высокой, что покупатели ждали поставку годами, получая разрешение исключительно через соответствующие министерства и ведомства.

Щекинский завод котельно вспомогательного оборудования и трубопроводов начал работу в 1952 году, предприятие выпускает, как стандартное, так и нестандартное котельное оборудование, и трубопроводные системы для ремонта и реконструкции действующих энергообъектов и предприятий металлургии.

Бийский котельный завод выпускает котельное оборудование для машиностроения, нефтехимии, коммунального теплоснабжения, транспортной отрасли и сельскохозяйственных фирм.

Калтанский завод котельно вспомогательного оборудования и трубопроводов начал свою трудовую деятельность в 1960 году. Он выпускает уникальные по номенклатуре котельные изделия для крупных энергетических объектов на востоке страны.

Заводской цех

Специалисты завода первые в Минэнерго организовали выпуск вспомогательного котлового оборудования среднего давления для нужд генерирующих предприятий страны.

Котлы являются основным элементом организации и реализации паросилового цикла системы теплоснабжения. Корпус маломощных котлов низкого давления изготавливают из чугуна, а среднего и высокого давления из котловой стали.

Для того чтобы правильно подобрать тип и количество котлов, выполняют технико-экономические расчеты, с учетом следующих факторов:

1. Максимальная и минимальная тепловая нагрузка потребителей в зимнее и летнее время.
2. Расстояние и диаметры тепловых сетей с разбивкой к каждому потребителю.
3. Качество воды и топлива.
4. Уровень автоматизации газовой котельной.
5. Размеры котельной.

Выбор котла по теплопроизводительности горелки должен соответствовать ее мощности с учетом аварийного резерва. Неплохое газовое оборудование Лемакс можно приобрести в Ишиме.

Предлагаем ознакомиться Одноуровневая арматура с боковым подводом воды (тип А)

Работа горелки обеспечивается газовым оборудованием котельной: ГРУ или ГРП, регуляторами, фильтрами, приборами контроля и системой безопасности. Все элементы газового хозяйства относятся к объектам повышенной опасности, их работа регламентируется СНиП II-35-76 «Котельные установки».