Котёл утилизатор — что это такое

Конструкция — котлов-утилизатор

Конструкция котлов-утилизаторов определяется особенностью греющего теплоносителя. При низкотемпературных тепловых отходах ( ниже 800 — 900 С) применяют газотрубные и водотрубные конвективные установки, при высокотемпературных ( выше 1100 — 1200 С) — радиационно-конвек-тивные котлы-утилизаторы.

Конструкция котлов-утилизаторов должна быть рассчитана на охлаждение часто весьма запыленных газов

Большое разнообразие конструкций котлов-утилизаторов и энерготехнологических агрегатов объясняется прежде всего различными местными условиями их применения. Так, например, на химических производствах есть установки, в которых энергетический агрегат работает при давлении охлаждаемых газов до 0 7 МПа ( 7 кгс / см2); давление же газов в 0 1 — 0 15 МПа ( 1 — 1 5 кгс / см2) встречается весьма часто.

Схема естественной циркуляции в теплообменных элементах печи кипящего слоя и котла-утилизатора.| Схема печи КС и водотрубного котла-утилизатора ширменного типа с естественной циркуляцией в теплообменных элементах.

В некоторых конструкциях котлов-утилизаторов типа ГТКУ имеются два отсека, в которых расположены газотрубные секции. Для регулирования температуры отходящих газов внутри котла установлен перепускной ( байпасный) газоход с шибером. Все газовые трубы защищены от износа предохранительными гильзами из стали марки X17 и на входе газа снабжены насадками из жароупорного стекла или шамота. Конструкция котла обеспечивает хорошую герметизацию агрегата. Испарительные элементы, расположенные в печи и газоходах котла, объединены в общий циркуляционный контур.

В начальный период большинство конструкций котлов-утилизаторов для цветной металлургии проектировалось на базе энергетических котлов П — образной компоновки, поэтому с учетом специфики уноса металлургических переделов конструкции котлов-утилизаторов подвергались значительным изменениям. На металлургических заводах эксплуатируются котлы БКЗ-50 / 39У, котлы типа Стерлинг, котлы БГ-35М, БГ-35РФ, ДКВР-10 / 13, а также УКЦМ-25 / 40 и многие другие.

В Советском Союзе ряд конструкций котлов-утилизаторов создан Центральным научно-исследовательским дизельным институтом.

Необходимо отметить, что за рубежом в некоторых конструкциях котлов-утилизаторов давление пара может превышать 80 ат.

Рассмотрим более подробно технологические и теплотехнические характеристики некоторых видов конструкций котлов-утилизаторов малой и средней мощности. Считая, что в данное время наиболее простейшими представителями из многообразия разновидностей котлов-утилизаторов, которые устанавливаются за печными агрегатами, являются газотрубные, приведем описание и принцип их работы.

На рис. 55 — I показаны две конструкции котлов-утилизаторов для двигателей внутреннего сгорания. Газы направляются по дымогарным трубам, очистка которых может производиться либо механически, либо путем выжигания.

Принципиальная схема газотрубного котла-утилизатора.

Чтобы устранить оседание частиц сажи на рабочих поверхностях котла, следует предусмотреть высокие скорости газа. Опыты показывают, что котел-утилизатор работает удовлетворительно при скорости газа в трубах не менее 25 — 30 MJCBK. При этих скоростях газовый поток находится в режиме так называемого самообдува тепло-обменных поверхностей, так что сажа не оседает на них. Использование обычно применяемых в промышленности паровых котлов, без учета указанных особенностей теплоносителя, не дает желаемых результатов. Конструкция котла-утилизатора, так же как и конструкция форсунки, является обычно секретом каждой фирмы. Поэтому не представляется возможным дать описание конструкции котлов-утилизаторов, применяемых в настоящее время на промышленных установках газификации мазута.

Коллекторы

Необходимое количество коллекторов и их расположение будут обеспечивать максимальное удобство их использования и обслуживания.

Конструкция раздающих и сборных коллекторов обеспечит равномерное распределение водяного и парового потока во всех трубных пучках. Они обеспечат свободное расширение трубных пучков. Компоновка трубных коллекторов позволит производить замену трубок и чистку внутренних поверхностей. При повреждении трубки в составе одного модуля, может понадобиться вырезать несколько труб для ее ремонта.

Патрубки, связывающие трубные пучки с коллекторами будут расположены вне корпуса котла. Проектная температура коллекторов будет определяться согласно стандартам EN.

Торцы трубок, коллекторов и других открытых частей, работающих под давлением, будут очищены от нагара и других соединений, а также будут уплотнены во избежание попадания инородных тел во время транспортировки, хранения перед монтажом. Эти части не будут уплотняться во время очистки, для того чтобы обеспечить осмотр и полное удаление чистящих средств.

Все патрубки и штуцера будут приварены к коллекторам в производственных цехах.

Где это возможно, коллекторы будут той же длины что и бесшовные трубки, а также будут иметь оснащение, предназначенное для дренирования.

Конструкция выходных коллекторов позволит воспринимать изгибающие моменты и моменты тяги от прикрепленных трубопроводов.

Испытательные патрубки под давлением, колодцы термометров, устройства фиксирующие температуру, а также испытательные образцы, необходимые для полных испытаний котла будут предоставлены наряду с постоянной измерительной аппаратурой.

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.

Особенности оборудования

Котел утилизатор работает без собственной топочной камеры. Такой агрегат использует тепло, получаемое в ходе других технологических процессов.

Одна из характерных черт функционирования промышленных утилизационных систем состоит в том, что в выходящих газах могут находиться множество небольших частиц. Они бывают в жидком, твердом или газообразном виде. Возникают частицы вследствие работы производственных установок и представляют собой осколки металла, шихты, шлака или окалины. Жидкие частицы — результат выплавки металлов. В целом, образование этих микроотходов связано с повышенными температурами, применяемыми при металлообработке.

На эффективность утилизации выходящих газов оказывает влияние тепловая мощность отопительного агрегата, режим подачи в него отходов и их температура. Объем и температура выходящих газов зависит от количества сжигаемого топлива и характера промышленного процесса. Значительный объем шихтовых газов выдается в цветной и черной металлургии — при продувании конвертеров кислородом.

Схема котла-утилизатора с принудительной циркуляцией: 1 — барабан; 2 — испарительная часть; 3 — пароперегреватель; 4 — водяной экономайзер.

Как сказано выше, на функционирование утилизатора большое влияние оказывает режим подачи в него газов. Промышленное оборудование (особенно это относится к конвертерам) часто работает циклично, что отрицательно сказывается на продуктивности котельного агрегата.

Котел утилизатор можно классифицировать по следующим параметрам:

По температуре газа, подающегося в агрегат. По этому параметру оборудование подразделяется на: низкотемпературное (менее 900 градусов) и высокотемпературное (свыше 1000 градусов). В условиях низких температур передача тепловой энергии осуществляется благодаря конвекции, а при высоких показателях — в процессе излучения. При температурах, превышающих 1100 градусов, жидкие продукты сгорания меняют свое агрегатное состояние.
По паровым характеристикам котел утилизатор может относиться к 3 классам: оборудования с низким давлением (1,5 МПа и 300 градусов), с повышенным давлением (4,5 МПа и 450 градусов), и с высоким (от 10 до 14 МПа и 550 градусов).
По принципу передвижения жидкости, пара и продуктов сгорания утилизационные котлы разделяются на два типа: газотрубные и водотрубные.
По способу передвижения жидкости в испарительном контуре утилизирующее оборудование дифференцируется на котлы с естественной и принудительной циркуляцией.
По комплектации и нагревательным поверхностям оборудование подразделяется на такие типы: башенный, горизонтальный и туннельный. В низкотемпературных устройствах применяется змеевиковая конвективная нагревательная поверхность. В высокотемпературных модификациях — конвективно-радиационная поверхность.

Трубки

Все трубки будут бесшовные круглого сечения, без газовых пузырей, нагара и других механических дефектов. Ребра будут навариваться на трубки по всему периметру. Материал ребер совместим с материалом трубок.

Концы трубок под приварку (включая установленные на заводе-изготовителе короткие трубки в барабанах или коллекторах) будут тщательно обработаны на станке, чтобы обеспечить качественное сварное соединение и предотвратить их повреждение при транспортировке или из-за ржавления. Все трубы будут точно подогнаны под необходимые изгибы без их сплющивания или существенного утонения стенок труб в местах сгибов.

Водотрубный утилизатор

Утилизаторы, имеющие многократную принудительную циркуляцию, широко используются в промышленности. То, что такой анализатор имеет принудительную циркуляцию, позволяет испарительный элемент делать любой формы и ориентации в пространстве.

В таких котлах испарительная система распределяется на несколько секций, они подключены параллельно, это позволяет значительно снизить сопротивление испарительной части и использовать циркуляционные насосы меньшей мощности.

https://youtube.com/watch?v=bUmF_tC6bqw

Вода, которая питает утилизатор, поступает через водяной экономайзер, а затем в барабан котла. Отсюда при помощи насоса вода через шламоотделитель идет в испарительные пакеты, которые включены параллельно. Полученная пароводяная смесь в барабане сепарируется, и вода отделяется от пара. После чего пар через пароперегреватель идет к потребителю. В зависимости от того, где надо установить утилизатор, его компоновка может быть П-образной, башенной или горизонтальной.
Котлы-утилизаторы в парогазовых и когенерационных установках
В парогазовых установках используются котлы-утилизаторы, которые рассчитаны для получения пара среднего и высокого давления для дальнейшего его использования в паровой турбине. В таком котле источником энергии также является энергия отходящих газов. Здесь используются водотрубные котлы, у которых конвективные поверхности нагрева и многократная принудительная циркуляция. От мощности паровой турбины будет зависеть конструкция котла, он может быть одноконтурным или иметь 2 независимых контура, в которых будет разное давление пара.

Такие барабанные утилизаторы вырабатывают пар, давление которого от 0,65 до 8 МПа, а также горячую воду, за счет того, что утилизируют тепло выхлопных газов от газотурбинной установки.

https://youtube.com/watch?v=DUemT5ixtWA

Если говорить о котлах-утилизаторах когенерационных установок, то они используют теплоту выхлопных газов поршневых двигателей или газовых турбин. Вырабатывают пар, который используют для подогрева воды в системе отопления или для технологических нужд. Такие котлы делают одноконтурными с принудительной циркуляцией.

Описание угольных котлов с автоматической подачей

Горючее непрерывно поступает в топку малыми порциями. Похожий принцип реализован в пеллетных котлах. Скорость подачи регулируется микропроцессорным контроллером с учетом температуры теплоносителя или воздуха в помещении (подключаются термодатчики).

Схема имеет следующие достоинства:

реже требуется участие пользователя;
уголь сгорает полностью (КПД на уровне 90%);
регулируется мощность (до 30% номинальной);
отсутствует инерционность — производительность можно резко свести к нулю.

Благодаря способности долго работать на одной закладке топлива агрегаты этого вида получили название котлов длительного горения. Возможность менять теплоотдачу в широких пределах позволяет эксплуатировать их в низкотемпературном режиме, что необходимо в межсезонье или для подогрева пола.

котел утилизатор расположенный над ГТУ

Котел-утилизатор предназначен для выработки пара за счет утилизации уходящих газов ГТУ.

Котел-утилизатор

котел-утилизатор над ГТУ вид 1

Котел-утилизатор предназначен для выработки пара за счет утилизации уходящих газов ГТУ.

В общем газоходе котла последовательно по ходу газов должны быть расположены пароперегреватель, испаритель, экономайзер и сетевой подогреватель (ГПСВ). Котел с естественной циркуляцией, газоплотный, предназначен для работы под давлением.

Котел должен быть запроектирован для работы со следующими номинальными параметрами:

— паропроизводительность	40 т/ч;
— давление пара за котлом (абс.)	3,9 МПа;
— температура перегретого пара	440 °С;
— температура питательной воды- давление питательной воды	104 °С;5,4…5,0 МПа;
— температура газов на входе (номинальная)	104 °С;
— температура газов на входе(максимальная расчетная)	600 °С;
— температура уходящих газов, не более	100 °С;
— сопротивление газового тракта	2200 Па.

Газоводяной подогреватель сетевой воды:

— температура воды на входе 70 °С;

— температура воды на выходе 150 °С;

— давление воды на входе 1,6 МПа;

— теплопроизводительность 7,5 Гкал/ч (уточняет производитель КУ).

Основные расчетные характеристики котла-утилизатора должны определяться для стандартных условий работы газотурбинной установки:

— температура наружного воздуха – плюс 15 °С;

— давление воздуха на входе в ГТУ — 0,1013 МПа;

— влажность воздуха на входе в ГТУ – 60 %.

Режим работы котла утилизационный, без дополнительного сжигания природного газа в окислительной среде горячих газов после газотурбинного двигателя.

Паропроизводительность котла-утилизатора зависит от мощности работы ГТУ, при этом давление пара поддерживается постоянным.

Требования к режимам использования

Котел-утилизатор должен обеспечить работу при изменении расхода и температуры газов, поступающих в котел, обусловленных изменением температуры наружного воздуха от плюс 35 до минус 40 °С.

Для определения показателей котла-утилизатора при различных температурах наружного воздуха и нагрузках газовой турбины в состав технической документации должны войти необходимые расчетные таблицы и графики поправок.

Котел-утилизатор должен обеспечить автоматическое поддержание номинальных параметров пара во всем рабочем диапазоне нагрузок ГТУ (50–100 % номинальной мощности).

При этом отклонения параметров пара за котлом не должны превышать допустимых значений, t=420-445 °С, Р=3,4-3,9 МПа.

Котел-утилизатор должен быть приспособлен к пускам из любого температурного состояния с учетом режимов пуска и нагружения ГТУ.

Паровой котел-утилизатор (КУ) – одноконтурный, вертикальный (по ходу газов), барабанного типа, с естественной циркуляцией, газоплотный, предназначен для работы под давлением.

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.

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.

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.