Котел утилизатор - устройство и принцип работы

Эффективная утилизация отходов с помощью котла

Котел утилизатор — это устройство, работающее на тепловой энергии, получаемой из газов дизельного и газотурбинного оборудования, а также, сушильных барабанов, туннельных и вращающихся печей. Такие котлы используют энергию, которая в противном случае, была бы потрачена впустую, ведь на промышленных предприятиях значительная часть газов выбрасывается просто в атмосферу. Между тем, температура выходящих градусов может доходить до тысячи градусов, поэтому не использовать такую энергию было бы нерационально.

Котел-утилизатор на предприятии

Утилизаторы позволяют задействовать тепло выходящих газов, повышая тем самым коэффициент использования топлива. Кроме того, утилизация дает возможность сократить выбросы в атмосферу вредных веществ.

Особенности оборудования

Котел утилизатор работает без собственной топочной камеры. Такой агрегат использует тепло, получаемое в ходе других технологических процессов.

Обратите внимание! Когда в составе выходящих газов имеется как физическая, так и химическая составляющая теплоты, то последнюю имеет смысл сжечь.

Одна из характерных черт функционирования промышленных утилизационных систем состоит в том, что в выходящих газах могут находиться множество небольших частиц. Они бывают в жидком, твердом или газообразном виде. Возникают частицы вследствие работы производственных установок и представляют собой осколки металла, шихты, шлака или окалины. Жидкие частицы — результат выплавки металлов. В целом, образование этих микроотходов связано с повышенными температурами, применяемыми при металлообработке.

На эффективность утилизации выходящих газов оказывает влияние тепловая мощность отопительного агрегата, режим подачи в него отходов и их температура. Объем и температура выходящих газов зависит от количества сжигаемого топлива и характера промышленного процесса. Значительный объем шихтовых газов выдается в цветной и черной металлургии — при продувании конвертеров кислородом.

Котел-утилизатор с принудительной циркуляцией

Схема котла-утилизатора с принудительной циркуляцией: 1 — барабан; 2 — испарительная часть; 3 — пароперегреватель; 4 — водяной экономайзер.

Как сказано выше, на функционирование утилизатора большое влияние оказывает режим подачи в него газов. Промышленное оборудование (особенно это относится к конвертерам) часто работает циклично, что отрицательно сказывается на продуктивности котельного агрегата.

Котел утилизатор можно классифицировать по следующим параметрам:

  1. По температуре газа, подающегося в агрегат. По этому параметру оборудование подразделяется на: низкотемпературное (менее 900 градусов) и высокотемпературное (свыше 1000 градусов). В условиях низких температур передача тепловой энергии осуществляется благодаря конвекции, а при высоких показателях — в процессе излучения. При температурах, превышающих 1100 градусов, жидкие продукты сгорания меняют свое агрегатное состояние.
  2. По паровым характеристикам котел утилизатор может относиться к 3 классам: оборудования с низким давлением (1,5 МПа и 300 градусов), с повышенным давлением (4,5 МПа и 450 градусов), и с высоким (от 10 до 14 МПа и 550 градусов).
  3. По принципу передвижения жидкости, пара и продуктов сгорания утилизационные котлы разделяются на два типа: газотрубные и водотрубные.
  4. По способу передвижения жидкости в испарительном контуре утилизирующее оборудование дифференцируется на котлы с естественной и принудительной циркуляцией.
  5. По комплектации и нагревательным поверхностям оборудование подразделяется на такие типы: башенный, горизонтальный и туннельный. В низкотемпературных устройствах применяется змеевиковая конвективная нагревательная поверхность. В высокотемпературных модификациях — конвективно-радиационная поверхность.

Принцип работы газотрубных утилизаторов

Газотрубные агрегаты бывают двух типов: расположенные по вертикали и по горизонтали. Такое оборудование чаще всего применяется возле мартеновских, обжиговых и других печей. Газотрубные устройства характеризуются относительно незначительными показателями мощности.

Котел утилизатор газотрубной модификации работает так: разогретый газ (температура примерно 1200 градусов) покидает печь и поставляется в нижнюю область газохода агрегата. В этой части находятся W-образные настенные поверхности (в виде лент и экранов), а также, конвективный пакет пароперегревателя.

Газотрубный котел-утилизатор ТКЗ

Газотрубный котел-утилизатор ТКЗ типа КУ-40. 1 — пароперегреватель; 2 — трубная поверхность; 3 — дымосос.

Под воздействием тепла вода преобразуется в пар. Далее смесь воды с паром начинает циркуляцию по настенным поверхностям. В ходе процесса котел производит пар под давлением до 4,5 МПа и температурой до 440 градусов. Это дает возможность получить высокие показатели мощностных характеристик — до 8 МВт. Для поддержания стабильного теплового потенциала, до утилизатора ставится предтопок с газовой горелкой.

Принцип работы водотрубных утилизаторов

В основу работы таких утилизаторов заложена многоразовая принудительная циркуляция, благодаря чему, испарительный элемент можно изготавливать в любой необходимой конфигурации. Испарительный элемент разделяется на ряд параллельно подключенных секций, что дает возможность сильно уменьшить сопротивление испарительной области и задействовать циркуляционные насосы небольшой мощности.

Вода, поступающая в водогрейный котел, проходит через водный экономайзер, и далее перенаправляется в барабан отопительного агрегата. Оттуда жидкость выкачивается насосом и через шламоотделитель перетекает в испарительные пакеты. Последние подключаются параллельно.

В барабане осуществляется сепарирование смеси пара и воды, в результате чего вода в водогрейном агрегате выделяется из пара. Далее пар направляется через пароперегреватель в отопительную систему. Схема котла утилизатора бывает, как П-образной, так и горизонтальной или башенной. Этот параметр определяется местом установки оборудования.

Схема работы водотрубных котлов-утилизаторов

Схема работы вертикального (а) и горизонтального (б) водотрубного котла-утилизатора

Утилизаторы в когенерационном и парогазовом оборудовании

В парогазовых агрегатах применяются котлы, в которых пар имеет среднее или высокое давление. После получения пара, он задействуется в паровой турбине. Помимо пара, в парогазовой установке в качестве энергетического источника используется энергия выходящих газов.

Конструкция парогазового оборудования предусматривает водотрубные котлы с конвективными нагревательными поверхностями и многоразовой циркуляцией принудительного типа. Конструктивные данные отопительного агрегата зависят от показателя мощности паровой турбины. Разные модели имеют от одного контура до 2 независимых контуров с разными показателями парового давления.

Подобные барабанные котлы производят пар с показателями давления от 0,65 до 8 МПа. При этом, водогрейная часть выдает горячую воду, получаемую при утилизации тепловой энергии из выхлопов газовой турбины.

В когенерационных установках используется тепло выхлопов поршневых двигателей и газовых турбин. Получаемый пар применяется для нагрева воды в отопительной системе или же для технических целей. Котлы в когенерационном оборудовании производятся с одним контуром и с принудительной циркуляцией.

Работы котла-утилизатора в когенерационном и парогазовом оборудовании

Принципиальная схема работы котла-утилизатора в когенерационном и парогазовом оборудовании

Пиролизные котлы

Такие котлы отличаются от обычных твердотопливных агрегатов тем, что могут работать также и с бытовыми и промышленными отходами. Пиролизные котлы оснащаются озонатором, благодаря чему достигается высокий температурный режим, позволяющий сжигать даже полимерные материалы, битум, резину и многое другое.

Пиролизное устройство функционирует с применением принципа газогенераторного горения. Его особенностью является бездымное горение при сжигании вторичных газов.

Тепловой расчет утилизатора

Имея перед собой характеристики выходящих газов ГТУ, параметры пара и зная температуру воды, можно сделать тепловой расчет котла утилизатора. Задача расчета состоит в выяснении показателей воды, пара и газа, передаваемых в отдельных областях утилизатора. Это даст возможность установить их поверхность и избрать нужные конструктивные формы.

Делая расчет, нужно принимать во внимание тот факт, что тепловая энергия поступает от горячих газов к пару или воде, а значит, температура газов всегда больше, чем температура воды или пара. Однако чем меньше разница между этими температурами (температурный напор), тем рациональнее отдается тепловая энергия в паротурбинный контур.