Теоретические основы энерготехнологии химических производств

На 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)

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

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/).

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

где h0, Со - энтальпия и скорость потока перед соплом;

/i/7v O r -теоретические энтальпия и скорость потока после сопла;

Ahf - располагаемый теплоперепад.