книги / Теоретические основы энерготехнологии химических производств
..pdfНа этой диаграмме процесс А0-А\ соответствует экономайзеру, АГА2 -
испарительным трубам, А2-А^ —пароперегревателю, причем все процессы - изобарные. Соответственно теплота q\ передается в экономайзере, q2- в испа рительных трубах и qi - в пароперегревателе. Сумма теплот qu q2 и g3 являет ся полезно использующейся частью теплоты, образовавшейся при сгорании топлива. Для маломощных котлов, экономайзер которых только подогревает воду, параметры выходящей из экономайзера воды будут находиться на ли нии А$-А\ (вода не закипает), а для мощных котлов, допускающих в экономай зере испарение части воды - на линии АГА2.
Как было указано ранее, теплота может передаваться от наиболее на гретого тела к менее нагретому двумя способами: теплопередачей (через стенку или при непосредственном контакте) и излучением (радиацией). Поэтому схема котла конструируется таким образом, чтобы максимальное количество теплоты передавалось с максимальной движущей силой (эф фективной разницей температур) и максимальным коэффициентом тепло передачи. Так как из q\, q2 и qi максимальное значение имеет q2l поэтому испарительные поверхности помещены в топку, т.е. в зону высоких тем ператур (около 1500°С), где велика излучающая составляющая, которая пропорциональна температуре в четвертой степени. Так как значительное количество теплоты к испарительным поверхностям в топке передается излучением (радиацией), то испарительные поверхности и эту зону котла принято называть радиантными.
Согласно схеме котла, за радиантными (испарительными) поверхно стями следует пароперегреватель, где температура дымовых газов на входе достигает 1000°С, а пар из насыщенного превращается в перегре тый. Далее, дымовые газы с температурой 500-700°С поступают в эко номайзер, где, подогревая питательную воду, охлаждаются до 160-210°С и поступают в воздухоподогреватель. В воздухоподогревателе подогре вается воздух, подающийся на сжигание в горелки, что позволяет утили зировать часть низкопотенциального тепла дымовых газов. Ориентиро вочные коэффициенты теплоотдачи для различных теплообменных по верхностей представлены в табл.4.2. Следует обратить внимание, что коэффициент теплоотдачи к теплоносителю в трубах радиантной зоны и экономайзера значительно выше, ч*ем от дымовых газов к стенке трубы.
Таблица 4.2
Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи в котле, Вт/(м2*К)
Группы теплообмен |
Коэффициент теплоотдачи |
|
ных поверхностей |
от дымовых газов к |
от стенки трубы к |
|
||
|
стенке трубы |
теплоносителю |
Радиантные |
150-250 |
10Q00-50000 |
|
|
(при кипении) |
Пароперегреватель |
70-100 |
30-50 |
Экономайзер (подогрев |
30 -40 |
3000 - 10000 (вода) |
жидкости) |
|
800 - 3000 (ВОТ) |
Воздухоподогреватель |
30-40 |
20-40 |
Поэтому температура стенок труб будет приближаться к температуре тепло носителя. В пароперегревателе, наоборот, температура стенки будет блйже к температуре дымовых газов. Поэтому теплообменные секции пароперегре вателя должны быть изготовлены из специальных жаростойких сталей.
Схема типичного газомазутного парового котла ТГМ-84Б, вырабаты вающего перегретый пар, представлена на рис.4.6 (рисунок взят из /2/). Схема двухбарабанного котла типа ДКВР представлена на рис.4.7 (рисунок взят из /2/). Этот котел является очень распространенным и может выраба тывать как перегретый пар, так и насыщенный. Однако в промышленности он чаще всего используется для выработки насыщенного греющего пара.
Рассмотрим особенности каждой группы поверхностей нагрева.
Испарительные поверхности. Испарительные (парогенерирующие) поверхности нагрева отличаются в котлах различных конструкций, тем не менее они, как правило, располагаются в радиантной зоне котла как экран ные поверхности, экранируя от излучения стенки топки, т.к. в этой зоне достигается максимальная интенсивность теплопередачи (коэффициент те плопередачи). Обычно экранные поверхности котлов с естественной цир куляцией выполняются из гладких труб с внутренним диаметром 40-80 мм. Для некоторых конструкций котлов малой мощности экранные трубы вы полняются как единое целое с барабаном и нижним коллектором.
Пароперегреватели. В зависимости от 'конструкции котлы могут иметь как радиационные пароперегреватели (располагаются на стенах
Экономайзеры. Основные функции экономайзера - максимальное ис пользование теплоты дымовых газов и предварительный подогрев пита тельной воды. Экономайзер не является необходимой частью котла, т.к.
Шяшмштяг— тШл
жшщ
\
шт. |
||
/ \лг |
1 |
|
1' |
||
_ |
||
/V |
ШМш/ /\ /жж\
Рис. 4 .7. Схема парового котла ДКВР:
1,5 - барабаны котла, 2,3 - конвективные теплообменные поверхности
котла, 4 - радиантные теплообменные поверхности котла, 6 - экономайзер
котел может работать и без экономайзера. Однако при этом КПД котла бу дет весьма низким из-за высокой температуры дымовых газов после паро перегревателя. Например, энергия потока дымовых газов после паропере гревателя у котлов высокого давления настолько велика, что позволяет в экономайзере испарить до 20% питательной воды. Водяные экономайзеры обычно выполняют из гладких или оребренных труб диаметром 28-38 мм, выполненных из пакетов змеевиков. Причем змеевики располагаются та ким образом, чтобы образовавшийся пар не создавал гидравлических "про бок", поэтому движение воды в экономайзерах всегда восходящее.
Существуют обычные и конденсационные экономайзеры, т.е. экономай зеры, позволяющие только охлаждать дымовые газы или охлаждать дымо вые газы с последующей конденсацией воды из дымовых газов, что дает
возможность использовать высшую теплоту сжигания топлива, а не низшую и, соответственно увеличить удельную теплопроизводительность агрегата.
Как было сказано ранее, в настоящее время в России нормативы котло надзора запрещают подавать в серийный экономайзер питательную воду с температурой менее 60°С при работе котла на природном газе (для исклю чения возможности образования кислого конденсата) и с температурой ме нее 140°С при работе на мазуте (для исключения возможности образования сернистой кислоты, которая может быть легко окислена до серной кислоты). Основной причиной является коррозия теплообменных поверхностей, т.к. наличие слабых кислот и окислительной атмосферы может в значительной мере снизить срок службы экономайзера. Тем не менее специальные кон денсационные экономайзеры применяются на некоторых конструкциях кот лов, работающих на природном газе (в США, Англии и т.п.), однако из-за малой разности температур и низкой движущей силы теплопередачи по верхность такого экономайзера достаточно высока, а наличие слабых кислот (образовавшихся в основном из оксидов азота и углекислого газа) и окисли тельной атмосферы требует использовать только нержавеющие стали, что в значительной мере увеличивает стоимость котла. Обычно срок окупаемости дополнительного конденсационного экономайзера (дополнительно к суще ствующему - неконденсационному) составляет 3-7 лет.
Значительно более агрессивная среда получается при конденсации дымовых газов, содержащих оксиды серы. Поэтому при изготовлении конденсационных экономайзеров для этих котлов используют металличе ские трубы, изготовленные из нержавеющей стали или из медно никелевых сплавов, покрытые снаружи тонкой пленкой фторопласта или изготовленные из графита, керамики или стекла.
Иногда для конденсации водяных паров из дымовых газов с получени ем технической воды используют контактный теплообменник с активной насадкой (КТАН). КТАН имеет вид абсорбера с активной насадкой, оро шаемого оборотной технической водой. Подогретая вода направляется по требителю из куба контактного теплообменника, а охлажденные дымовые газы выходят из верхней части аппарата. Основными преимуществами КТАН являются его простота и надежность, а его недостатки заключаются в том, что аппарат имеет дополнительное гидравлическое сопротивление и теплоноситель имеет очень низкие параметры (не более 90-95°С) и содер жит механические включения (сажа, зола и т.п.), что ограничивает его дальнейшее использование.
В оздухоподогреват ели. Воздухоподогреватели предназначены для наи более полного использования теплоты дымовых газов и подогрева воздуха, направляемого на сжигание в топку. Существуют воздухоподогреватели двух типов: рекуперативные и регенеративные. Рекуперативные воздухоподогре ватели представляют собой многоходовой теплообменник с перекрестными ходами, выполненный из гладких или оребренных труб и расположенный в газоходе. Причем конструкция рекуперативных воздухоподогревателей тако ва, что температура стенки трубок должна быть выше температуры точки ро сы для предотвращения возможной конденсации водяных паров и связанной с этим коррозии оборудования. Тем не менее при изготовлении воздухоподог ревателя специальной конструкции возможно проводить частичную конден сацию водяных паров и использовать теплоту конденсации.
Конструкция регенеративного воздухоподогревателя в значительной степени отличается от конструкции рекуперативного, т.к. он представляет собой контактный теплообменник с металлической насадкой, работаю щей в циклах: нагрев - охлаждение. Схема регенеративного подогревате ля представлена на рис.4.8 (рисунок взят из /2/).
Горячей |
Горячив |
С целью |
исключе |
|||
ния необходимости |
пе |
|||||
дхоВящао |
||||||
ОазВдх |
сизы |
|||||
|
|
реключать |
потоки |
ды |
||
|
|
мовых газов и воздуха, |
||||
|
|
металлическая |
насадка |
|||
|
|
воздухоподогревателя |
||||
|
|
помещена |
в секциони |
|||
|
|
рованный |
и |
вращаю |
||
|
|
щийся (3-5 об/мин) ба |
||||
|
|
рабан, насадка |
которо |
|||
Рис.4.8. Схема регенеративного воздухоподогревателя; |
го при пересечении по |
|||||
тока дымовых газов на |
||||||
1 - ротор; 2 - неподвижный корпус; 3 - набивка; 4 - |
гревается, |
а при пере |
||||
короба подвода и отвода газа и воздуха; 5 - секторные |
сечении потока воздуха |
|||||
плиты для разделения потоков газа и воздуха; 6 - |
охлаждается. |
Эти |
||||
механизм привода; 7 - перегородки ротора |
||||||
|
|
|
|
воздухоподогреватели отличаются высокой компактностью и используются на мощных энерго технологических агрегатах. Недостаток данного подогревателя заключа ется в потере до 10% поданного воздуха с потоком дымовых газов. Воз дух может нагнетаться в воздухоподогреватель вентилятором или посту-
и конвективную зоны и работающих по прямоточной схеме, и воздухопо догревателя. Следовательно, все сказанное выше по отношению к эконо майзеру и воздухоподогревателю полностью относится к котлам этого типа, за исключением того, что в отличие от паровых котлов, кипение те плоносителя не допускается.
Для использования теплоты отходящих газов технологических уста новок и для утилизации содержащихся в отходящих газах горючих ком понентов используют котлы-утилизаторы. Если температура дымовых газов ниже 900°С, то влияние излучающей составляющей невелико, по этому котел-утилизатор имеет только конвективные поверхности нагрева. При высоких’ температурах отходящих газов (более 900°С) компоновка котла-утилизатора практически не отличается от конструкции парового или водогрейного котла. Эти котлы работают с естественной и принуди тельной циркуляцией теплоносителя и имеют практически все типы по верхностей, присущие описанным выше паровым котламгЕсли отходящие технологические газы не содержат горючих компонентов, то такой котел не имеет горелочных устройств. При наличии в технологических газах горючих веществ организуется их дожигание в радиационной камере, ко торая при этом превращается в топку.
4.2. Паровые и газовые турбины
Как было показано ранее, весь прогресс в области котельной техники связан с получением пара с наиболее высокими параметрами (температу рой и давлением). Результатом этого прогресса явились энергетические котлы большой единичной мощности, вырабатывающие перегретый пар очень высоких параметров.
С прогрессом в области котельной техники происходил прогресс и в области машин для преобразования тепловой энергии в работу. Так, пер выми машинами, преобразующими энергию пара в работу, являлись поршневые машины паровозов и пароходов, работающие на насыщенном паре. Однако с повышением мощности силовых установок транспортных средств использование пара привело к очень большим размерам и массе силовых установок, а следовательно, к их низкой эффективности, т.к. па ровая силовая установка включает двигатель и парогенегатор, т.е. двига-
тель должен возить не только полезный груз, но и парогенератор. Поэто му двигатели внутреннего сгорания и газовые турбины (рабочее тело - поток газов после сгорания углеводородного топлива) вытеснили паровые двигатели. В настоящее время паровые двигатели или паровые турбины (рабочее тело - водяной пар) применяются для преобразования тепловой энергии в работу только на стационарных объектах. В общем, турбиной называется лопаточный двигатель, преобразующий энергию потока па ра, газа или жидкости, протекающего через сопловой аппарат, где теп ловая энергия преобразуется в кинетическую энергию струи, а затем че рез рабочие лопатки ротора (рабочего колеса) с преобразованием кине тической энергии струи в механическую энергию.
В химической промышленности паровые и газовые турбины приме няются достаточно широко. Так, паровые турбины, работающие на полу чаемом в самой технологической схеме энергетическом паре, использу ются в качестве привода технологических турбокомпрессоров или турбо насосов. Например, в технологии аммиака или метанола все компрессоры и некоторая часть насосов работают на паре. Используемые в химической промышленности газовые турбины работают на технологических и сбросных газах, имеющих повышенное давление или температуру. При мером может быть технологическая схема производства азотной кислоты, где выходящие технологические газы посредством газовой турбины и турбокомпрессора сжимают входящие газовые потоки.
Турбины бывают активные и реактивные. Рассмотрим более подроб но принципы действия этих турбин на примере действия струи на по верхность различных тел (рис.4.10).
Рис.4.10. Схема действия струи на поверхностьразличных тел
Схема движения (рис.4.10, а) соответствует реактивной турбине, т.е. сила Р/, создаваемая в турбине струей, выходящей со скоростью Со9равна реактивной силе. Реактивный принцип широко применяется в летательных аппаратах, имеющих ограниченное количество топлива (рабочего те
ла). Однако непрерывная подача рабочего тела из подвижного тела тех нически весьма затруднительна. Кроме того, в этом случае энергия струи используется неполностью, т.к. струя, имеющая некоторую массу и ско рость, может дополнительно создавать силу Р2 (рис.4.10, б). Как видно, максимальную силу можно получить при повороте струи на 180° (рис.4.10, в), т.к. в этом случае Р3 будет равна сумме сил Pj и Р2. Однако технически использовать этот принцип не удается, т.к. невозможно по дать струю газа из неподвижного сопла на вращающийся диск с лопатка ми в направлении, совпадающем с плоскостью вращения. Поэтому в тур бинах применяется схема подачи струи, представленная на схеме (рис.4.10, г). Причем технически сделать угол а менее 11-16° не пред ставляется возможным.
Основное отличие активной турбины от реактивной турбины заклю чается в том, что в активной турбине рабочее тело разгоняет ся в сопле до высокой скорости за счет его расширения со сни жением давления, а затем посту пает на лопатки рабочего колеса (ротора с лопатками). Таким об разом, если рабочее тело расши ряется только в соплах статора, а на лопатках рабочего колеса происходит только изменение направления потока при посто янном давлении, то тогда такая турбина называется активной. Совокупность рабочего колеса и
системы сопел называется ступенью турбины (рис.4.11, рисунок взят из.121). Приращение кинетической энергии пара на выходе из сопла можно
определить по формуле
= |
(4.1) |
где h0, Со - энтальпия и скорость потока перед соплом;
/i/7v O r -теоретические энтальпия и скорость потока после сопла;
Ahf - располагаемый теплоперепад.