Котлы-утилизаторы

Использование физической теплоты газов для получения пара имеет целый ряд преимуществ по сравнению, например, с газовыми теплообменниками:

поскольку процесс кипения связан с высоким коэффициентом теплопередачи, котел-утилизатор является одним из наиболее компактных типов агрегата по утилизации теплоты;
эти установки в большинстве случаев требуют меньших капитальных затрат, чем другие установки утилизации теплоты такого же назначения;
котлы-утилизаторы могут выдерживать высокотемпературные потоки отработанного газа, и не существует проблем выбора материалов и срока их службы, поскольку благодаря высоким коэффициентам теплопередачи в трубках поддерживается сравнительно низкая температура, близкая к температуре насыщения при соответствующем давлении;
маневренность котла-утилизатора высокая, нагрузку можно из» менять путем регулирования рабочего давления пара;
не требуется точного регулирования расхода газа и воды.

Однако если на заводе имеются жесткие требования к качеству пара, то необходимо применять соответствующую химическую подготовку питательной воды, что связано с дополнительными капитальными и эксплуатационными затратами. Кроме того, сам котел-утилизатор в ряде случаев не может утилизировать достаточное количество теплоты, чтобы снизить температуру газа до требуемого уровня, и для утилизации может потребоваться дополнительное оборудование.
Ниже рассмотрены различные типы котлов-утилизаторов.
Классификация котлов-утилизаторов. Котлы-утилизаторы могут быть классифицированы следующим образом: газотрубные, водотрубные и модульные.
В газотрубном котле-утилизаторе дымовые газы проходят внутри труб поверхностей нагрева, а вода и пароводяная смесь — снаружи.
Конструктивно давление пара в этих котлах ограничивается примерно 70 МПа, хотя ряд усовершенствований может увеличить рабочее давление почти вдвое 17.261. При этом падение давления со стороны газа выше, чем в водотрубных котлах. Если температура утилизируемого газа очень высокая, то трубная доска на входе газа часто выходит из строя, и это приводит к сокращению межремонтного срока.
Что касается преимуществ, то газотрубный котел обычно наиболее дешевый из этих систем, и поскольку он менее восприимчив к загрязнению со стороны газа, то его можно применять при сильно загрязненных сбросных газах. Если и произошло сильное загрязнение, то легче чистить трубы изнутри, чем чистить наружные поверхности на близко расположенном пучке труб. В том случае, когда давление газа очень высокое (5 МПа), газотрубный котел имеет и то преимущество, что газ находится внутри труб. Однако КПД его может быть низким, если охлаждаемый газ имеет невысокое значение коэффициента теплоотдачи.
Водотрубный котел-утилизатор отличается от газотрубного котла тем, что вода находится в трубах, а отработанный газ проходит по наружной поверхности труб. Область применения водотрубных котлов значительно шире, в особенности если требуется пар высокого давления. КПД его значительно выше, чем газотрубного котла, поскольку на-наружная поверхность нагрева может быть увеличена без особых труд, ностей. В особенности это важно в тех случаях, когда коэффициент теплоотдачи от газа к стенке труб низкий или скорость газа из-за больших сопротивлений невысокая.
Надежность водотрубных котлов обычно выше, чем газотрубных, но подверженность загрязнению наружных поверхностей труб, а также трудность очистки должны быть приняты во внимание при выборе типа котла.
Применение модульных котлов для утилизации теплоты связано с охлаждаемыми водой двигателями, как, например, дизельными, и поршневыми двигателями, работающими на природном газе. В этом котле теплота уходящих газов и теплота от охлаждающей рубашки двигателя используется для получения пара, при этом охлаждающая рубашка действует, по существу, как подогреватель питательней воды.
Применение. При выборе котла-утилизатора необходимо принимать во внимание потребителей, которым будет направляться полученный, в котле пар, и технологическое назначение котла. В последнем случае должны рассматриваться следующие возможности [17.27]:

газ непосредственно сбрасывается. В этом случае единственным назначением котла-утилизатора является сведение до минимума тепловых потерь до сброса газа в атмосферу;
газ требует охлаждения для последующего использования. Наряду с выработкой пара в данном случае котел выполняет полезную функ-. цию охлаждения газа. Примерами процессов, в которых котел выполняет эту функцию, являются установки обжига пирита и сжигания серы;
газ требует охлаждения, но стабильность процесса зависит от скорости охлаждения. В данном случае работа котла-утилизатора является неотъемлемой частью технологического процесса.

Областью при менения котлов для этой цели являются, например, холодильники крекинг-газа, установки по производству этилена.
Основными областями использования пара котлов-утилизаторов являются:

использование непосредственно в технологическом процессе или для целей отопления. В этом случае обычно получают пар сравнительно низкого давления;
использование для выбработки электроэнергии или электроэнергии и теплоты комбинированным способом. В этом случае требуется пар высокого давления и обычно перегретый;
применение в качестве отпаривающей среды в технологическом процессе (низкий уровень утилизации).

Котлы-утилизаторы газовых турбин. Уже подчеркивалась необходимость полностью использовать системы утилизации теплоты для того, чтобы повысить экономическую эффективность выработки электроэнергии на заводе, применения двигателей для привода компрессоров и другого подобного оборудования.

КПД газовой турбины составляет всего 25%. Системы утилизации позволяют использовать 75% теплоты уходящих газов турбины и повысить их КПД до 80%. Применение котла-утилизатора за газовой турбиной для получения пара высокого давления позволяет утилизировать 65% сбросной теплоты и получить общий КПД системы1 около 72%.

Потенциальная теплота утилизированных сбросных газов турбины составляет около 10 кВт /(кг/с) на каждый градус падения температуры. При потоке газов 15,4 кг/с и падении температуры газа в утилизаторе с 654 до 160 °С мощность утилизационной установки составляет около 6,1 МВт. Для сравнения, если эквивалентное количество топлива применяется в обычном котле с i) = 80%, то тепловая мощность процесса горения несколько выше 7,9 МВт, что соответствует использованию 14 л/мин жидкого топлива или 720 м'/ч природного газа
Срок окупаемости этого оборудования 3 года с учетом эксплуатационных расходов.
В котле-утилизаторе газовой турбины предусмотрено дополнительное сжигание топлива [7.231. Обычно котел-утилизатор для газовой турбины выбирается по количеству сбросных газов, а не на основе потребности в паре на заводе и режимов его потребления, что делает эту установку сравнительно дорогой. Поскольку в газах содержится достаточное количество кислорода, они могут быть использованы в процессе сжигания топлива. В некоторых случаях можно увеличить паропроизводительность котла по сравнению с котлами без дополнительного сжигания топлива на 200%. При этом повышение производительности котла достигается за счет установки простых горелок с решеткой. Кроме того, предусматривается байпасная дымовая труба, которая позволяет при необходимости работать с более низкими нагрузками, чем если бы все количество газов сбрасывалось в атмосферу через котел.
Пар, получаемый за счет использования сбросной теплоты поршневых двигателей внутреннего сгорания. Система Vaporphase, изготовленная в США фирмой Pott Industries Inc , является, одним из наиболее популярных типов агрегата утилизации сбросной теплоты поршневых двигателей. Эта система имеет мощность от 100 кВт до 16 МВт и применяется для больших 16-цилиндровых двигателей.
В системе, изготовленной фирмой Pott Industries Inc. (рио. 1 и 2), одновременно используется теплота сбросных газов и охлаждения двигателя, η= 75%. Так же как и многие другие котлы-утилизаторы для двигателей, этот котел служит глушителем звука.