Промышленные электростанции - Установки для использования тепла отходящих газов, отходов

В этих установках в качестве теплоносителя для теплоснабжения и выработки электроэнергии применяются подогретая вода, пар и горячий воздух. Получение указанных теплоносителей осуществляется непосредственно за счет тех или иных вторичных энергоресурсов или с помощью промежуточного агента — воздуха, продуктов горения, высококипящих смесей. а) Водяные и паровые установки Установки для получения горячей воды наиболее часто применяются для использования тепла низкотемпературных (300—400° С) отходящих газов технологических и котельных агрегатов. Подогрев воды до 90—95° С осуществляется в теплофикационных стальных трубчатых или чугунных экономайзерах, которые включаются по закрытой или открытой схеме. Для предотвращения коррозии стального экономайзера при глубоком охлаждении газов (до 110— 130° С) вода деаэрируется и температура ее на входе в экономайзер поддерживается выше точки росы (65— 70° С) за счет рециркуляции части подогретой воды. При отходящих газах, не загрязненных сернистыми соединениями и частицами уноса, применяют также контактные теплообменники, в которых отходящие газы охлаждаются до 80—100° С. Сезонный характер потребления тепла горячей воды на теплофикацию ограничивает применение установок для получения горячей воды, которые обычно имеют малую тепловую мощность и не оказывают существенного влияния на общую систему энергоснабжения предприятий. Большая потребность в паре на промышленных предприятиях, которая составляет 75—80% общего теплопотребления, возможность его универсального использования для теплофикации и в течение всего года для теплоснабжения производственных потребителей и выработки электроэнергии определили преимущественное применение паровых установок. Схемы таких установок показаны на рис. 4-6 и 4-7.

Рис. 4-6. Схема установки для комбинированной выработки электроэнергии и тепла за счет вторичных энергоресурсов с индивидуальными котлами. Обозначения см. рис. 4-7. Основным специфическим элементом паросиловых установок, использующих вторичные энергетические ресурсы, является специальный бестолочный котел; для производства электроэнергии применяются серийные турбины. Обогрев котлов производится отходящими газами технологических агрегатов, жидкими продуктами производства, используемыми в качестве промежуточных теплоносителей и нагретыми до высокой температуры продуктами горения и воздухом, а также высокотемпературными смесями. В ряде случаев в качестве поверхности нагрева котла используются охлаждаемые элементы рабочей камеры печей с преимущественно радиационным или конвективным обогревом за счет тепла газов и технологической продукции. Важнейшим параметром, определяющим принципиальную схему и характеристику наиболее распространенного бестолочного котла, предназначенного для использования тепла отходящих газов технологическим агрегатом, является начальная температура греющих газов.

Рис. 4-7. Схема установки для комбинированной выработки электроэнергии и тепла за счет вторичных энергоресурсов с групповыми котлами. 1 — технологический агрегат; 2 — испарительная поверхность нагрева; 3 — циркуляционный насос; 4 — водяной экономайзер; 5 — центральный пароперегреватель; 6—барабан котла; 7 — котел ТЭЦ; 8 — турбина; 9 — потребители пара; 10 — конденсатор; 11 — циркуляционный насос; 12 — конденсатный насос; 13 — эжекторный подогреватель; 14 — подогреватель низкого давления; 15 — деаэратор; 16 — питательный насос; 17 — подогреватель высокого давления; 18 — бак конденсата; 19 — насос; 20 — РОУ; 21 — химически очищенная вода; 22 — дымосос; 23 — дымовая труба; 24 — насос; 25 — пароперегреватель; 26 — охлаждаемые элементы агрегата.

По величине этого параметра котлы разделяются на две группы: котлы низкотемпературного включения с начальной температурой греющих газов 450—900° С и высокотемпературные котлы с начальной температурой греющих газов 1 200—1 300° С и выше. Деление котлов на две группы с границей между ними в области температур 900—1 200° С определяется изменением условий теплоотдачи переходящий от преобладающей конвективном к радиационной. Котлы низкотемпературного включения в настоящее время имеют наибольшее значение и устанавливаются за печами, имеющими керамические регенераторы или рекуператоры. Такие котлы устанавливаются для использования тепла отходящих газов мартеновских, нагревательных и стекловаренных печей, обжиговых печей с кипящим слоем, газогенераторных и нефтеперегонных установок, а также для использования физического тепла технологической продукции, например при сухом тушении кокса. Высокотемпературные котлы устанавливаются для использования тепла отходящих газов печей, не имеющих устройств для подогрева воздуха: отражательных печей, конвертеров для получения стали, никеля и меди и др. К высокотемпературным котлам следует также отнести системы испарительного, охлаждения, в которых поверхностями нагрева являются охлаждаемые элементы, расположенные в рабочей камере печи, а также котлы с дожиганием отходящих горючих газов, в результате которого повышается их температура. В дальнейшем с развитием новых решений в области обжиговых и плавильных процессов, в частности циклонных установок энерготехнологического назначения, применение высокотемпературных бестолочных котлов будет увеличиваться. В котлах низкотемпературного включения тепловосприятие определяется условиями конвективной теплоотдачи, а их загрязнение — наличием в газах твердых мелкодисперсных твердых частиц уноса. Интенсификация теплообмена в этих котлах возможна путем повышения скорости греющих газов и уменьшения диаметра обогреваемых труб. Однако повышение скорости газов ограничивается значительным увеличением газового сопротивления котла; коэффициент теплоотдачи ак увеличивается пропорционально скорости газов в степени 0,6—0,8, а сопротивление растет пропорционально ее квадрату.

Особенно существенно сказывается увеличение газового сопротивления у котлов низкотемпературного включения, у которых объем газов на единицу паропроизводительности в 5—7 раз больше, а расход электроэнергии на тягу почти на порядок выше, чем у котлов, работающих на свежем топливе. Уменьшение диаметра труб повышает коэффициент теплоотдачи обратно пропорционально диаметру в степени 0,6—0,64 для поперечно омываемых пучков труб. При этом газовое сопротивление системы снижается пропорционально росту коэффициента теплоотдачи. Ряд выполненных работ показывает, что для котлов низкотемпературного включения наиболее целесообразны применение труб малого диаметра (20—30 мм) и поперечное омывание их при скорости газов, приведенной к нулевой температуре: 2—3 м/сек. В испарительных поверхностях нагрева котла применение труб малого диаметра предопределяет необходимость принудительного движения пароводяной смеси, которое может быть реализовано в котлах с многократно-принудительной циркуляцией и прямоточных сепараторных. Опыт проектирования и эксплуатации показывает, что котлы с многократно-принудительной циркуляцией имеют ряд существенных преимуществ по сравнению с прямоточно-сепараторными: котлы с м. п. ц. надежно работают при питании химически очищенной водой с солесодержанием до 800 мг/л при продувке <5%, прямоточно-сепараторные котлы допускают питание водой с солесодержанием меньше 150 мг/л при продувке 25% и требуют применения частых водных и кислотных промывок (через 1—3 года) испарительной системы; по потреблению электроэнергии котлы обоих типов почти равноценны, так как дополнительный расход электроэнергии на циркуляционные насосы котлов с многократно-принудительной циркуляцией компенсируется большим сопротивлением прямоточной испарительной системы (12—13 ата при давлении пара 40 ата). По расходу металла и трудоемкости изготовления прямоточно-сепараторные котлы также не имеют преимуществ, так как вследствие большой величины продувки требуются увеличение поверхности нагрева и наличие дополнительного оборудования — сепараторов, расширителя непрерывной продувки, баков и насосов для кислотной промывки, растопочных баков и пр. Преимущества котлов с многократно-принудительной циркуляцией определили широкое применение их для использования тепла низкотемпературных отходящих газов различных технологических агрегатов. Совершенствование испарительных поверхностей нагрева таких котлов направлено к уменьшению их гидравлического сопротивления путем снижения кратности циркуляции с обычно принятых значений 7—8 до 3—4 и разделения поверхности нагрева на две-три параллельно включенные по воде секции. В результате сопротивление испарительной системы снижается в 6—8 раз при одновременном повышении коэффициента шайбования до 2,5—3, что обеспечивает большую равномерность распределения воды по параллельно включенным змеевикам. Значительное уменьшение удельных затрат металла и стоимости котла может дать увеличение его единичной мощности, так как затраты металла, не зависящие от его производительности (барабан, циркуляционные насосы, арматура и гарнитура) составляют больше 30-40% общих. Поэтому для использования вторичных энергетических ресурсов от ряда технологических агрегатов с небольшим расходом топлива целесообразно применение групповой схемы включения испарительных поверхностей нагрева, присоединяемых по воде и пару к общему барабану и циркуляционным насосам. Схемы индивидуального и группового котлов с многократно-принудительной циркуляцией показаны на рис. 4-8 и 4-9. В индивидуальных котлах первым по ходу газов устанавливается пароперегреватель, в котором достигается сравнительно небольшое охлаждение газов. Это положение, являющееся следствием малой относительной выработки пара на единицу греющего газа (отношения , дает возможность достижения высокого перегрева пара при малых значениях начального температурного напора в пароперегревателе. Например, перегрев пара до 450° С может быть осуществлен при начальной температуре газов

550°С, и при этом поверхность нагрева пароперегревателя будет не более 35—40% испарительной. Последним теплоиспользующим элементом является водяной экономайзер, в котором вода нагревается до температуры насыщения при данном давлении в котле, чем и определяется развитие его экономайзерного участка.

Рис. 4-8. Схема котла низкотемпературного включения. 1 — испарительная поверхность нагрева, первая секция; 2 — испарительная поверхность, вторая секция; 3 — испарительная поверхность, третья секция; 4 — экономайзерная поверхность, первая секция; 5 — экономайзерная поверхность, вторая секция; 6 — пароперегреватель; 7 — барабан котла; 8 — циркуляционный насос; 9 — шламоуловитель.

Охлаждение газов экономайзером незначительно, поскольку оно также определяется малой величиной, которая находится в обратной зависимости от начальной температуры газов и резко снижается при ее уменьшении. Например, при начальной температуре газов 500° С отношение 0,12 и при подогреве воды в экономайзере на 100— 150° С соответствующее охлаждение газов не превысит 12—18° С. Это положение, определяющее малое снижение эффективности установки при отсутствии экономайзера, дает возможность в ряде случаев отказаться от его применения, что наиболее оправдано в групповых котлах.

Рис. 4-9. Схема группового котла. 1 — технологический агрегат; 2— испарительная поверхность; 3 — барабан котла; 4 — циркуляционный насос; 5 — шламоуловитель; 6 — деаэратор; 7 — питательный насос; 8 — центральный пароперегреватель; 9 — воздушный подогреватель пароперегревателя; 10 — дымосос.

В групповых котлах для уменьшения протяженности трубопроводов ограничиваются обычно установкой только испарительных поверхностей нагрева, организуя перегрев пара в центральном пароперегревателе с самостоятельным отоплением. В высокотемпературных котлах используется преимущественно радиационная теплоотдача от газа к стенке, что, помимо стремления уменьшить затраты металла, определяется необходимостью обеспечить грануляцию жидкого шлакового уноса до поступления газов в конвективные поверхности нагрева. Соответственно рациональная конструкция установки характеризуется следующей схемой организации теплоиспользования. Первой по ходу газов располагается экранированная камера, в которой производится охлаждение газов до температуры, обеспечивающей грануляцию уноса (800— 900°С). Развитие экранных поверхностей нагрева определяет целесообразность организации естественной циркуляции в котле, которая обеспечивается высокими тепловыми нагрузками и применением труб относительно большого диаметра (50—60 мм). После радиационной камеры располагается пароперегреватель, защищенный от нее фестоном. Последним элементом установки является воздухоподогреватель, в котором воздух, идущий на горение топлива в технологическом агрегате, подогревается обычно до 350—400° С. Наличие воздухоподогревателя определяет возможность охлаждения газов до 200—250° С; более низкая температура, уходящих газов в ряде случаев исключается вследствие наличия в них агрессивных соединений, в частности сернистых. При наличии глубокого радиационного охлаждения газов в сочетании с повышенной температурой нагрева воздуха система котла ограничивается экранами и перегревателем. Установка водяного экономайзера оказывается обычно невозможной по балансу тепла. На рис. 4-10 показана схема высокотемпературного котла применительно к установке за отражательной печью. В целях устранения шлакования газохода котел устанавливается непосредственно за печью, а перед ним организуется сепарация частиц жидкого шлака из газов в сепараторе, использующем инерционное улавливание частиц и диффузионное осаждение их на пленке жидкого шлака. Высокотемпературные котлы энерготехнологических установок дополняются системой охлаждения рабочей камеры печи, включенной в общий контур циркуляции. Особую группу высокотемпературных котлов составляют системы «испарительного охлаждения», в которых поверхностью нагрева являются охлаждаемые элементы, находящиеся в рабочей камере печи. В имеющихся системах испарительного охлаждения применяется естественная циркуляция. Обычно давление вырабатываемого пара 3—4 ата; имеются установки с давлением пара 8 ата. Испарительное охлаждение обеспечивает надежность работы охлаждаемых элементов, большую, чем при водяном охлаждении, при которой имеет место отложение значительного количества накипи в элементах и вследствие этого их пережог.

Рис. 4-10. Схема котла высокотемпературного включения. 1 — отражательная печь; 2 — шлакосепаратор; 3 — радиационный котел; 4 — пароперегреватель; 5 — воздушный подогреватель; 6 — дымосос; 7— окно обходного борова; 8 — обходной боров; 9 — дымовая труба.

Тепловая нагрузка охлаждаемых элементов методических печей составляет 20—40 тыс. ккал/м2-ч, мартеновских — 10—80 тыс. ккал/м2-ч и достигает 180— 730 тыс. ккал/м2-ч для неизолированных металлических поверхностей, что в несколько раз превышает тепловую нагрузку топочных экранов. Важнейшей особенностью систем испарительного охлаждения является горизонтальное расположение тепловоспринимающих элементов и отсутствие обогрева подъемных труб. Этим обусловливается неустойчивая циркуляция в системе и объясняются наблюдаемые явления пульсации и ударов в периоды снижения тепловой нагрузки печи, а также перегрев металла элементов. Значительно лучше условия для естественной циркуляции в шахтных печах с вертикальными элементами. Для надежной работы системы испарительного охлаждения с естественной циркуляцией необходимо, чтобы где А—„стойкость охлаждения"; t— недогрев воды в элементе до кипения, °С; k — кратность циркуляции; п — удельный вес пара при данном давлении, кг/м3; в — удельный вес воды при данном давлении, кг/м3. Кратность циркуляции в элементах системы рекомендуется 15—40; большие значения принимаются для наиболее теплонагруженных элементов. Скорость пароводяной смеси в горизонтальном элементе должна быть больше 3—4 м/сек во избежание расслоения потока. Питательная вода для систем испарительного охлаждения, так же как для котла, должна быть химически очищена и деаэрирована. Существенными недостатками систем испарительного охлаждения низкого давления с естественной циркуляцией являются: трудность использования насыщенного пара низкого давления на предприятии; усложнение печного агрегата, имеющего котел для использования тепла отходящих газов, дополнительным котлом низкого давления; недостаточная надежность естественной циркуляции в системе испарительного охлаждения при переменном режиме работы печи. Эти недостатки устраняются при объединении системы «испарительного охлаждения» с котлом для использования тепла отходящих газов в комплексную установку для выработки пара повышенных параметров и переходе на принудительную циркуляцию в системе охлаждаемых элементов. Схема установки показана на рис. 4-11. Комплексные установки повышенного давления работают на Западе и осуществляются в настоящее время у нас для мартеновских печей. В этих установках охлаждаемые элементы выполняются из труб. Скорость воды на входе в элемент принимается 1.—1,5 м/сек. Кратность циркуляции в системе при максимальной тепловой нагрузке 8—10. Гидравлическое сопротивление элемента 0,2—0,5 ата. На случай аварийного выхода из строя одного из элементов системы предусматривается автоматическое переключение его на охлаждение водой. Эффективность установки котла в значительной мере зависит от начальной температуры газов (воздуха).

Рис. 4-11. Схема комплексной установки для использования тепла отходящих газов и охлаждаемых элементов.

1 — мартеновская печь; 2 — кессон; 3 — рама завалочного окна; 4 — пятовая балка; 5 — котел; 6— барабан котла; 7 — экономайзер; 8 — испарительная поверхность; 9 — пароперегреватель; 10— шламоуловитель; 11 — циркуляционный насос с электроприводом; 12 — циркуляционный насос с паровым приводом.

Рис. 4-12. Зависимость поверхности нагрева и веса котла на тонну паропроизводительности от начальной температуры дымовых газов. Анализ влияния этого температурного параметра на поверхность нагрева котла с многократно-принудительной циркуляцией при давлении насыщенного пара 40 ата дан на рис. 4-12 и показывает, что суммарный расход металла на тонну производительности при изменении начальной температуры газов в пределах 700—1 000°С меняется сравнительно незначительно, составляя суммарно 8—6 т/т-Ч, что в 1,5—2 раза выше аналогичных показателей для топочных котлов равной производительности. Дальнейшее снижение температуры газов вызывает интенсивный рост относительного веса котла, который при 500—600° С достигает 12—10 т/т-ч, а при 400° С 25 т/т-ч. При снижении давления пара зависимость веса котла от начальной температуры качественно не меняется, только выражается менее резко. Газовое сопротивление котла с уменьшением начальной температуры возрастает еще более резко, нежели затрата металла, примерно пропорционально квадрату удельной величины поверхности нагрева Технико-экономические расчеты показывают, что обычно минимальная начальная температура газов, при которой оправдывается использование их тепла для котлов с давлением пара 40 ата, находится в области 500— 600° G. Температура уходящих газов за котлом, в котором последним теплоиспользующим элементом является водяной экономайзер, может быть выражена уравнением

единицу выработанного пара, является функцией начальной температуры газов и изменяется от 8—10 нм3/кг при температуре газов 500 — 450° С до 2 — 2,5 нм3/кг при 1 200 — 1 000° С. Для обычных котлов это отношение находится в пределах 1,5 нм3/кг. Из сказанного следует, что температура уходящих газов связана с начальной температурой. Повышение давления пара и температуры питательной воды вызывает необходимость повышения температуры уходящих газов. Оптимальная температура уходящих газов выявляется обычным технико-экономическим расчетом, в результате которого определяются суммарные эксплуатационные расходы и капитальные затраты на котельную установку при различных значениях температуры уходящих газов. Температура уходящих газов, при которой приведенные эксплуатационные расходы приближаются к минимальным значениям, и будет наивыгоднейшей. Для большинства установок оптимальная температура уходящих газов практически лежит в пределах 180—240° С. Для рационального использования вторичных энергетических ресурсов на предприятиях, имеющих ТЭЦ, как показано далее, преимущественно необходимы котлы с первой ступенью энергетических параметров пара, что соответствует с учетом потерь в паропроводах 40— 45 ата 450—470° С. В котлах низкотемпературного включения для уменьшения поверхности нагрева пароперегревателя в ряде случаев целесообразно ограничить температуру пара на котле 350° С, предусматривая дополнительный перегрев его на ТЭЦ в центральном пароперегревателе с отоплением газом или мазутом. Двухступенчатая система перегрева пара дает возможность обеспечить постоянную температуру, его вне зависимости от режима работы технологических агрегатов. В целях возможности применения таких котлов на предприятиях, имеющих турбины низкого давления, следует предусмотреть возможность работы их на пониженных параметрах пара: 18 ата, 350° С. Для предприятий с малым выходом (вторичных энергетических ресурсов при использовании их для теплоснабжения необходимы котлы низкого давления (14 ата, 250—300° С) и малой паропроизводительности. Котлы высокого давления устанавливаются только в отдельных единичных случаях. Расчеты показывают, что нижний предел целесообразного использования вторичных энергетических ресурсов для выработки пара определяется суммарным пропуском через котел 10 тыс. нм3/ч газа.

Наибольший выход вторичных энергетических ресурсов от одного технологического агрегата обычно не превышает паропроизводительности котла, определяемой пропускам через него 100—120 тыс. нм3/ч газа. Указанные выше положения, а также необходимость унификации производства оборудования определяют примерные характеристики котлов, необходимых для использования вторичных энергетических ресурсов на большинстве предприятий, которые приведены в табл. 4-2. Таблица 4-2

Котлы низкого давления (14 ата) при этом предусматриваются на производительность по пропуску газов <20 тыс. нм3/ч газа. Для технологических агрегатов с малым расходом топлива предусматривается применение групповых котлов с включением на один барабан четырех — шести параллельных испарительных поверхностей. Увеличение единичной мощности позволяет существенно снизить капитальные затраты и эксплуатационные расходы на установку. Следует сказать, что затраты на барабан, циркуляционные и питательные насосы, к. и. п., автоматику и здание почти не зависят от паропроизводительности установки и составляют 50—60 % общих. При большой единичной производительности технологических агрегатов преимущества установки групповых котлов уменьшаются вследствие трудности размещения испарительных поверхностей нагрева непосредственно за агрегатами и объединения систем испарительного охлаждения с котлом, а также удорожания трубопроводов. При 10 тыс. нм3/ч газа и более предусматривается установка индивидуальных котлов.