Применение утилизаторов тепла отходящих газов

Экономайзеры для нагрева питательней воды и воздухоподогрева- тели для нагрева дутьевого воздуха находятся в конце конвективного газохода и омываются газами с низкой температурой, поэтому их часто называют низкотемпературными или хвостовыми поверхностями. Из всех поверхностей нагрева котла, находящихся под давлением, в эконо- майзере температура металла труб имеет наименьшее значение. Уста- новка воздухоподогревателя увеличивает экономичность котла главным образом за счет снижения потерь с уходящими газами, а также позволя- ет значительно улучшить процесс горения топлива, особенно при сжи- гании низкокачественных и мало реакционных топлив, снизив потери в

топке

q 3 и

q 4 и увеличив передачу теплоты радиацией по сравнению с

менее эффективной теплоотдачей – конвекцией.

Предварительный нагрев воздуха, подаваемого в топку для горе- ния, позволяет повысить теоретическую температуру сгорания топлива. Обычно увеличение температуры нагрева воздуха на 100 °С повышает температуру горения примерно на 35–40 °С. Снижение температуры уходящих газов на каждые 10 °С за счет установки хвостовых поверх- ностей нагрева повышает КПД парогенератора примерно на 0,5 %. Об- щий низкий уровень температур металла стенок труб хвостовых по- верхностей нагрева делает вероятными их коррозионные повреждения вследствие конденсации влаги из дымовых газов и соединения с SO. Кроме того, экономайзер и воздухоподогреватель больше чем другие поверхности котла, страдают от золового износа и отложений летучей золы на трубах. Характерным для хвостовых поверхностей нагрева яв- ляется также низкий температурный напор, особенно на входе в эконо-

майзер и на выходе из холодной части воздухоподогревателя. Поэтому основной задачей при разработке конструкций хвостовых поверхностей нагрева являются: интенсификация теплообмена и создание компактных малогабаритных элементов с умеренной затратой металла, которые бы подвергались минимальному золовому износу, загрязнению и коррозии.

 

Водяные экономайзеры

Водяной экономайзер располагается за паровым котлом по ходу то- почных газов и предназначается для нагрева питательной воды перед поступлением ее в котел; при этом дополнительно используется тепло отходящих газов, что повышает экономичность котлоагрегата. В совре- менных котельных установках применяют в основном два типа эконо- майзеров: чугунные ребристые и стальные змеевиковые.

Чугунные ребристые экономайзеры системы ВТИ устанавливаются на котлах с рабочим давлением до 22 ати. Они состоят из отдельных чу- гунных ребристых труб, внутренний диаметр которых равен 60 мм и длин приблизительно 2 м. Ребра на трубах служат для увеличения по- верхности нагрева и лучшей передачи тепла от горячих газов к воде. На конце каждой ребристой трубы имеется крепежный фланец.

На рис. 2.2.1 представлен общий вид водяного экономайзера с реб- ристыми чугунными трубами 1, которые соединяются между собой при помощи горизонтальных и вертикальных калачей 2, чем обеспечивают проход воды последовательно через все трубы экономайзера.

Рис. 2.2.1. Чугунный ребристый экономайзер:

1 – ребристые трубы; 2 – соединительные калачи

Движение воды в нем должно быть направлено снизу вверх для удаления воздуха во избежание гидравлических ударов. При этом вода сначала проходит последовательно через все трубы нижнего ряда, затем переходит по вертикальному калачу в следующий горизонтальный ряд и т. д. Поверхность нагрева экономайзера набирается из отдельных стан- дартных труб, количество которых определяется тепловым расчетом.

Чугунные экономайзеры, изготовленные из специального высоко- качественного чугуна, применяются на давление до 60 атм.

Достоинство чугунных экономайзеров заключается в том, что они более устойчивы по сравнению с остальными в отношении внутренней и наружной коррозии. Кроме того, при ремонте калачи могут сниматься и трубы сравнительно легко очищаются от шлама.

Недостатками чугунных водяных экономайзеров являются большие габариты и относительно небольшой коэффициент теплопередачи, вы- званный значительными диаметрами труб и малыми скоростями газов, а также недостаточная устойчивость чугуна в случае появления гидрав- лических ударов. Температура питательной воды в чугунных экономай- зерах должна быть всегда на 40–50 °С ниже температуры котловой воды в барабане.

Совершенно не допускается вскипание воды в экономайзере, при котором могут появиться гидравлические удары. Поэтому при растопке котла, когда расхода воды в экономайзере нет, во избежание ее вскипа- ния необходимо отводить воду из экономайзера через так называемую сгонную линию. В питательный или дренажный бак.

По этой же причине котлоагрегаты с чугунными экономайзерами оборудуются обходными газоходами, через которые пропускаются газы при растопке котлов.

Стальные змеевиковые экономайзеры применяются для котлов среднего и высокого давления. Они бывают двух типов: экономайзеры кипящего Типа, в которых происходит частичное испарение воды (до 15–25 %), и экономайзеры некипящего типа.

Кипящие экономайзеры составляют как бы часть поверхности на- грева котла. Они не отключаются ни по водяной, ни по газовой стороне. Поэтому между ними и котлом не ставится никакой арматуры. Запор- ный вентиль и обратный клапан на питательной линии крепится на вхо- де в водяной экономайзер. Температура питательной воды в экономай- зерах некипящего типа так же, как и в чугунных, должна быть на

40–50 °С ниже температуры котловой воды в барабане.

На рис. 2.2.2 представлена схема устройства водяного стального змеевикового экономайзера. Конструкция его аналогична конструкции пароперегревателя. Он состоит из водяных камер (коллекторов) 1, змее-

виков 2 и из стальных труб 3 наружным диаметром 38–51 мм и толщи- ной стенок 3–5 мм, в зависимости от давления. Концы змеевиков вваль- цовываются в отверстия коллекторов или привариваются к штуцерам, вваренным в камеры. Трубы большого диаметра, по которым вода под- водится к экономайзеру и отводится из него, присоединяются к коллек- торам посредствам сварки. Змеевики экономайзера обычно располага- ются в шахматном порядке. В зависимости от размера экономайзера по высоте он делится на отдельные пакеты (группы), которые устанавли- вают на некотором расстоянии друг от друга. Пространство между па- кетами используется для ремонта экономайзера и для очистки его от зо- лы. Кроме того, такое разделение способствует лучшему перемешива- нию газов и равномерному распределению их по сечению газохода.

Рис. 2.2.2. Водяной экономайзер змеевиковый:

1 – нижний входной коллектор; 2 – верхний входной коллектор; 3 – змеевики; 4 – опорные стойки змеевиков; 5 – опорная балка с воздушным охлаждением; 6 – спуск воды; 7 – обмуровка

 

Змеевики экономайзера в газоходе располагаются горизонтально. Они крепятся при помощи опорных стоек, опирающихся на пустотелые блоки, Охлаждаемые воздухом. Для предохранения блока от высоких температур они покрываются снаружи тепловой изоляцией (торкретом).

Неравномерное распределение воды в отдельных змеевиках эконо- майзера может привести к неполадкам и авариям. В некипящих эконо- майзерах в этом случае может произойти закипание воды, иногда запа-

ривание змеевиков (т. е. образование в них пара) и даже пережог их (при высокой температуре дымовых газов). Поэтому скорость воды в некипящих экономайзерах должна быть не менее 0,3–0,4 м/с. На выход- ной части кипящих экономайзеров эта скорость должна быть не менее 1 м/с во избежание перегрева змеевиков в случае расслоения пароводя- ной смеси. Для увеличения скорости воды в экономайзере при очень широких газоходах, применяют схему с двукратным движением воды, т. е. разделяют экономайзер на две последовательно включенные сек- ции. Скорость газов в экономайзере обычно бывает 10–12 м/с, а для многозольных топлив – не больше 9–10 м/с.

Чаще всего в экономайзере подогревается питательная вода, кото- рая затем направляется в барабан котла. В этом случае экономайзер на- зывается питательным. В отдельных случаях в экономайзере нагревает- ся вода, используемая затем на нужды теплоснабжения, и он называется в этом случае теплофикационным. Обычно в современных котельных применяют индивидуальные экономайзеры, т. е. каждый котел оборудо- ван собственным питательным экономайзером.

В старых котельных с низким КПД вследствие высокой температу- ры уходящих газов устанавливают иногда групповые теплофикацион- ные экономайзеры.

Их установка, кроме положительного фактора – повышения КПД котельной, имеет целый ряд недостатков. Это, прежде всего, постоянное изменение уровня нагрева воды при остановке нагрева котлов или при резком колебании нагрузок, снижается температура стенок металла по- верхностей низкотемпературную коррозию.

Все экономайзеры независимо от их назначения должны быть обо- рудованы контрольно-измерительными приборами, арматурой и пре- дохранительными устройствами (рис. 2.2.3).

Во избежание перегрева экономайзера во время растопки котла нижняя входная камера соединяется при помощи так называемой ре- циркуляционной линии с водяным объемом верхнего барабана котла. Таким образом, экономайзер включается в циркуляцию котла, и котло- вая вода может перетекать из барабана котла в экономайзере по мере отвода горячей воды или пароводяной смеси из экономайзера в барабан.

На этой линии устанавливается запорный вентиль, который при нормальной работе, когда находится в закрытом состоянии. В котлах со ступенчатым испарением линия рециркуляции присоединяется к чисто- му отсеку барабана.

При эксплуатации барабана экономайзера необходимо следить, чтобы зола не накапливалась в трубах, для чего экономайзер следует систематически обдувать. Отложения золы усиливаются при снижении

скорости газов до 3 м/с и ниже. При частичном заносе экономайзера зо- лой большее количество газов устремляется в ту его часть, которая име- ет меньшее сопротивление. В таких местах газы движутся с большой скоростью и вызывают чрезмерный износ труб летучей золой.

Рис. 2.2.3. Схема расположения контрольно-измерительных приборов

на экономайзере:

1 – задвижки; 2 – предохранительные клапаны; 3 – манометр; 4 – термометры; 5 – вантуз

 

Воздухоподогреватели

По принципу работы воздухоподогреватели делятся на рекупера- тивные и регенеративные. В рекуперативных передача теплоты от пото- ка продуктов сгорания к нагреваемому воздуху происходит непрерывно через разделяющие эти потоки металлические стенки поверхностей на- грева (труб или пластин). В регенеративных воздухоподогревателях имеющаяся металлическая набивка (пластины, шары и т. п.) поперемен- но то нагреваются в потоке дымовых газов, то охлаждаются в воздуш- ном потоке, отдавая ему полученную аккумулированную теплоту. Реку- перативные подогревателя подразделяют по виду применяемого мате- риала на чугунные, стальные и неметаллические, а по конструктивному оформлению – на пластинчатые и трубчатые. У чугунных воздухопо- догревателей толщина теплопередающей поверхности обычно равна 6 мм, а у стальных – 0,5–2,0 мм. Поверхности нагрева чугунного воздухо- подогревателя состоит чаще всего из горизонтальных овальных чугун- ных труб. Продукты сгорания проходят между ними, а воздух – внутри них. Трубы снабжены наружными и внутренними ребрами, увеличи- вающими их поверхность нагрева. В последние годы чугунные возду- хонагреватели в котлостроении практически не применяются, так как

они громоздки, имеют большую массу, обладают плохой техноло- гичностью (невозможность сварки), хрупкостью. К преимуществам от- носятся стойкость против коррозии и жаростойкость, позволяющие обеспечить нагрев воздуха до 450 °С

По уровню нагрева воздуха все воздухоподогреватели делятся на низкотемпературные (150–200 °С), среднетемпературные (200–350 °С), высокотемпературные (350–450 °С) и радиационные (450–700 °С). Од- ной из первых конструкций стальных воздухоподогревателей были пла- стичные, представляющие собой систему чередующихся вертикальных и горизонтальных каналов из стальных листов толщиной 2–3 мм. По вертикальным каналам притекают газы, а по горизонтальным – воздух вниз или вверх в зависимости от расположения воздухоподогревателя.

Из-за значительной неравномерности температурного поля по всей по- верхности отдельных листов происходят их коробление, разрыв свар- ных швов, уменьшение отверстий, что приводит к их разбиванию лету- чей золой. Все эти недостатки привели к тому, что в настоящее время пластичные воздухоподогреватели практически не применяются.

Трубчатые воздухоподогреватели являются наиболее распростра- ненными для котлов малой и средней мощности. Для их изготовления обычно при меняют стальные трубы из Ст 20 диаметром 51×1,5; 40×1,5 или 25×1,5 мм.

При меньшем диаметре труб воздухоподогреватель имеет меньшие наружные размеры. Тонкостенные трубы нельзя вальцевать и их прива- ривают к трубным доскам. Трубчатый воздухоподогреватель состоит из пучка параллельных труб, расположенных в шахматном порядке и при- соединенных к трубным доскам. Трубы вместе с верхней и нижней трубными досками составляют секцию или «куб». Поверхность нагрева зависит от числа труб в кубе и их длины. Воздухоподогреватель может состоять из одного или нескольких кубов. Снаружи воздухоподогрева- тель имеет плотные стенки и воздухоперепускные короба (рис. 2.2.4).

В вертикальном воздухоподогревателе газ движется внутри труб, а воздух – в межтрубном пространстве; в горизонтальном воздухоподог- ревателе – наоборот. Для создания поперечного обтекания труб возду- хом в вертикальном воздухоподогревателе устанавливают промежуточ- ные трубы-доски.

В зависимости от скорости воздуха и величины поверхности нагре- ва, воздухонагреватели выполняют одно и многоходовыми (рис. 2.2.5).

Число ходов и скорость воздуха связаны между собой: при увели- чении числа ходов увеличивается скорость воздуха. Применение труб малого диаметра привело к созданию конструкции так называемого ма- логабаритного воздухоподогревателя. Для сохранения прежнего значе-

ния скорости газов с уменьшением диаметра труб необходимо увели- чить их число, при снижении диаметра поверхность нагрева несколько уменьшается.

Рис. 2.2.4. Схема трубчатого двухъярусного воздухоподогревателя:

1 – вход газов; 2 – выход газов; 3 – вход воздуха; 4 – выход воздуха; 5 – ниж- няя секция (кубы) воздухоподогревателя; 6 – верхние секции воздухоподогревателя; 7 и 8 – перепускные короба для воздуха; 9 – наружный компенсатор; 10 – место ус-

тановки экономайзера; 11 – компенсатор на перепускном коробе

 

Рис. 2.2.5. Схема компоновки воздухоподогревателей а – многоходовая поточная; б – одноходовая однопоточная; в, г – многоходовые двухпоточные

В последние годы иногда применяют так называемые обращенные воздухоподогреватели, в которых в отличие от обычных продукты сго- рания проходят в межтрубном пространстве, а нагреваемый воздух – внутри труб.

Преимущество обращенных трубчатых воздухоподогревателей со- стоит в том, что трубчатые доски вынесены из зоны обогрева и работа- ют при более низких температурах. К их недостаткам можно отнести более высокую, по сравнению с традиционными, загрязненность золой. В ряде случаев при, необходимости нагрева воздуха до более высоких температур (400 °С и выше) применяют различные не традиционные конструкции воздухоподогревателей: змеевиковые – из плоских и спи- ральных змеевиков (рис. 2.2.6, в и д), преимущества которых состоят в высокой компактности при относительно большой длине труб и в удач- ном решении вопросов компенсации температурных удлинений, и ра- диационные панельные, располагаемые в топке и другой зоне высокой температуры.

Рис. 2.2.6. Классификация конструкций воздухоподогревателей а – обычные трубчатые; б – обращенные трубчатые; в – змеевиковые; г – экранные; д – спиральные

 

В последние годы в котлах большой производительности получили широкое распространение регенеративные воздухоподогреватели. Реге- неративный вращающийся воздухоподогреватель (РВП) состоит из ци- линдрического ротора, медленно вращающегося вокруг вертикальной оси, и из патрубков, через которые к ротору подводятся и отводятся дымовые газы и воздух (рис. 2.2.7).

Рис. 2.2.7. Один из вариантов аппаратов регенеративного вращающегося

воздухоподогревателя:

1 – вал ротора; 2 – газовые патрубки; 3 – верхний подшипник; 4 – патрубки для воздуха; 5 – радиальное уплотнение ротора, препятствующее перетеканию воз- духа в газовые потоки; 6 – электродвигатель с редуктором; 7 – наружное уплотне-

ние ротора; 8 – наружный кожух; 9 – ротор

 

Находящиеся в роторе стальные пластины попеременно то нагре- ваются проводящим потоком продуктов сгорания, то, попадая в воз- душный поток, отдают воздуху полученную от газов теплоту и охлаж- даются. Основными преимуществами таких воздухоподогревателей яв- ляются их сравнительно малые массы и наружные размеры; к главным недостаткам относятся повышенная стоимость изготовления и труд- ность их уплотнения, вследствие чего в продукты сгорания попадает больше воздуха, чем в воздухоподогревателях трубчатого типа.

Широкое применение РВП получили благодаря ряду их преиму- ществ по сравнению с трубчатыми, а именно:

• меньшие затраты металла;

• возможность использования неметаллической антикоррозийной поверхности нагрева без ухудшения теплообмена;

• меньшие габариты по высоте;

• простая организация обдувки и промывки поверхности нагрева от золовых отложений.

В качестве поверхности нагрева (набивки) используют керамиче- ские блоки, эмалированные листы стали, стеклянные и керамические шарики и т. п. Однако вследствие ряда эксплуатационных недостатков эти набивки пока еще не получили широкого распространения.

Наряду с достоинствами, РВП имеет существенные конструктив- ные и эксплуатационные недостатки, а именно:

• наличие вращающихся элементов;

• наличие системы водяного охлаждения ротора и подшипников;

• сложность уплотнения и повышенные перетоки воздуха в газо- вый поток (от 10 до 20 %).