Котлы-утилизаторы

Использование тепла отходящих дымовых газов технологических печей. Теплоутилизирующие устройства.

Технологические печи являются крупнейшими потребителями энергии на нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятиях, в металлургии, а также во многих других отраслях промышленности. На НПЗ в них сжигается 3-4% от всей перерабатываемой нефти.

Средняя температура дымовых газов на выходе из печи, как правило, превышает 400°С. Это связано с тем, что обычно сырьё подается в печь после предварительного подогрева теплом продуктовых потоков (то есть уже с достаточно высокой температурой). Кроме этого разность температур между дымовыми газами на выходе из конвекционной камеры печи и сырьем, поступающим на подогрев, должна составлять 100-150°С (экономический оптимум соотношения капитальных и эксплуатационных затрат). Количество теплоты, уносимой с дымовыми газами, составляет 25-30% от всей теплоты, выделяющейся при сгорании топлива. КПД печей, таким образом, не превышает 60-65% (существуют дополнительные тепловые потери через стенки печи).

Поэтому утилизация тепла уходящих дымовых газов технологических печей приобретает исключительно большое значение.

На основании опыта рекомендуются следующие принципы рационального использования теплоты дымовых газов:

ü утилизацию теплоты следует применять для печей с теплопроизводительностью выше 25 ГДж/час (в связи с более резким ростом цен на энергоресурсы, чем на металл эта величина постоянно снижается);

ü при температуре дымовых газов выше 500°С следует применять котлы-утилизаторы – КУ;

ü при температуре дымовых газов менее 500°С рекомендуется применять воздухоподогреватели – ВП;

ü наибольший экономический эффект достигается при наличии двухагрегатной установки, состоящей из КУ и ВП (в КУ газы охлаждаются до 400°С и поступают в воздухоподогреватель на дальнейшее охлаждение) – чаще применяется на нефтехимических предприятиях при высокой температуре дымовых газов;

ü если количество дымовых газов превышает 40000 м³/ч, то для выработки пара лучше применять КУ с принудительной циркуляцией, а при меньшем количестве – с естественной.

В КУ теплота дымовых газов используется для получения водяного пара. КПД печи повышается на 10-15%, но расход топлива не снижается (просто помимо подогрева сырья дополнительно вырабатывается некоторое количество пара).

КУ могут выполняться встроенными в конвекционную камеру печи или выносными. Достоинствами встроенных змеевиковых котлов являются простота конструкции отводящих газоходов, уменьшение площади застройки, возможность исключить установку дымососов. Однако вследствие низкой скорости дымовых газов коэффициент теплопередачи оказывается довольно низким, что требует применения большей поверхности теплообмена для съема одинакового количества теплоты, чем у выносного котла-утилизатора.

Выносные котлы утилизаторы делятся на два типа:

Ø котлы газотрубного типа;

Ø котлы пакетно-конвективного типа.

Выбор требуемого типа осуществляется в зависимости от требуемого давления получаемого пара. Первые используют при выработке пара относительно низкого давления – 14-16 атм., вторые – для выработки пара давлением до 40 атм. (однако они рассчитаны на начальную температуру дымовых газов около 850°С).

Давление вырабатываемого пара необходимо выбирать с учетом того, потребляется ли весь пар на самой установке или же имеется избыток, который необходимо выводить в общезаводскую сеть. В последнем случае давление пара в барабане котла необходимо принимать в соответствии с давлением пара в общезаводской сети с тем, чтобы выводить избыток пара в сеть и избегать неэкономичного дросселирования при выводе его в сеть низкого давления.

КУ газотрубного типа конструктивно напоминают теплообменники «труба в трубе». Дымовые газы пропускаются через внутреннюю трубу, а водяной пар вырабатывается в межтрубном пространстве. Несколько таких устройств располагается параллельно.

КУ пакетно-конвективного типа имеют более сложную конструкцию. Принципиальная схема работы КУ этого типа приведена на рис.

Здесь используется естественная циркуляция воды и представлена наиболее полная конфигурация КУ с экономайзером и пароперегревателем.

Химочищенная вода (ХОВ) поступает в колонну-деаэратор для удаления растворенных в ней газов (главным образом кислорода и диоксида углерода). Вода стекает по тарелкам вниз, а навстречу ей противотоком пропускается небольшое количество водяного пара. Вода нагревается паром до 97-99°С и за счет снижения растворимости газов с повышением температуры основная их часть выделяется и отводится сверху деаэратора в атмосферу. Пар, отдавая своё тепло воде, конденсируется. Деаэрированная вода снизу колонны забирается насосом и им нагнетается необходимое давление. Вода пропускается через змеевик экономайзера, в котором подогревается почти до температуры кипения воды при заданном давлении, и поступает в барабан (паросепаратор). Вода в паросепараторе имеет температуру, равную температуре кипения воды при заданном давлении. Через змеевики выработки пара вода циркулирует за счет разности плотностей (естественная циркуляция). В этих змеевиках часть воды испаряется, и парожидкостная смесь возвращается в барабан. Насыщенный водяной пар отделяется от жидкой фазы и отводится сверху барабана в змеевик пароперегревателя. В пароперегревателе насыщенный пар перегревается до нужной температуры и отводится потребителю. Часть полученного пара используется для деаэрации питательной воды.

Надежность и экономичность работы КУ в значительной степени зависит от правильной организации водного режима. При неправильной эксплуатации интенсивно образуется накипь, протекает коррозия поверхностей нагрева, происходит загрязнение пара.

Накипь – это плотные отложения, образующиеся при нагреве и испарении воды. Вода содержит гидрокарбонаты, сульфаты и другие соли кальция и магния (соли жесткости), которые при нагревании преобразуются в бикарбонаты и выпадают в осадок. Накипь, имеющая на несколько порядков меньшую, чем металл, теплопроводность, приводит к снижению коэффициента теплопередачи. За счет этого снижается мощность теплового потока через поверхность теплообмена и, естественно, снижается эффективность работы КУ (уменьшается количество вырабатываемого пара). Температура отводимых из КУ дымовых газов возрастает. Кроме того, происходит перегрев змеевиков и их повреждение вследствие снижения несущей способности стали.

Для предупреждения образования накипи в качестве питательной воды используют предварительно химочищенную воду (можно брать на ТЭС). Помимо этого производится непрерывная и периодическая продувка системы (удаление части воды). Продувка предупреждает рост концентрации солей в системе (вода постоянно испаряется, а содержащиеся в ней соли – нет, поэтому концентрация солей растет). Непрерывная продувка котла составляет обычно 3-5% и зависит от качества питательной воды (не должна превышать 10%, так как с продувкой связана потеря тепла). При эксплуатации КУ высокого давления, работающих с принудительной циркуляцией воды, дополнительно применяют внутрикотловое фосфатирование. При этом катионы кальция и магния, входящие в состав образующих накипь сульфатов, связываются с фосфатными анионами, образуя соединения малорастворимые в воде и выпадающие в толще водяного объема котла в виде легко удаляемого при продувке шлама.

Растворенные в питательной воде кислород и углекислый газ вызывают коррозию внутренних стенок котла, причем скорость коррозии возрастает с повышением давления и температуры. Для удаления газов из воды применяют термическую деаэрацию. Также мерой защиты против коррозии является поддержание такой скорости в трубах, при которой пузырьки воздуха не могут удерживаться на их поверхности (выше 0,3 м/с).

В связи с повышением гидравлического сопротивления газового тракта и снижением силы естественной тяги возникает необходимость установки дымососа (искусственная тяга). При этом температура дымовых газов не должна превышать 250°С во избежание разрушения этого аппарата. Но чем ниже температура отводимых дымовых газов, тем более мощный необходимо иметь дымосос (растет потребление электроэнергии).

Срок окупаемости КУ обычно не превышает одного года.

Дата добавления: 2015-06-27