Энерготехнология химических производств

4. ЭНЕРГОТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ АГРЕГАТЫ

Хорошо известно, что теплота от горячего потока вещества к холодному может быть передана двумя способами: путем непосредственного контакта потоков или с помощью их контакта через стенку, а если холодный поток не может непосредственно контактировать с горячим, то для передачи теплоты используют теплоносители.

Существуют две разновидности энерготехнологических устройств, порой схожих по конструкции, но отличающихся по принципу действия: котлы и печи. Устройствами, в которых в результате горения, других химических реакций или превращения электрической энергии выделяется тепло, которое непосредственно используется для нагрева при проведении технологического процесса, отопления или обработки материалов или изделий, называются печами. Если в энерготехнологических устройствах тепло передается потребителю с помощью теплоносителя, то такие устройства называются котлами.

В химической промышленности достаточно широко используются печи различных типов и конструкций, предназначенных для конкретных технологических процессов:

–трубчатые (для проведения каталитических процессов с большим эндотермическим эффектом: паровая конверсия углеводородов, крекинг и т.п.);

–с вращающимся барабаном, внутренним и наружным обогревом (для гетерогенных процессов с твердой фазой и несколькими реагентами, при проведении которых необходимо перемешивание реакционной массы: производство фтористого водорода, обжиг ванадиевых шлаков и т.п.);

–с псевдоожиженным слоем (высокоинтенсивные реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой и одним твердым реагентом: обжиг колчеданов, сушилки и т.п.);

–шахтные (реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой, где возможно ее плавление: производство сульфида натрия, выплавка чугуна и т.п.);

–камерные (реакторы с заданным объемом: производство сажи, сжигание серы, отходов и т.п.);

–механические (реакторы для гетерогенных процессов с твердой фазой, где происходит ее плавление и необходимо интенсивное перемешивание, которое производится механизмами);

112

–туннельные (для обжига, например при производстве катализаторов и т.п.);

–ванные (для плавления твердой фазы и проведения процессов в плаве).

Каждый из представленных типов печей имеет многообразие конструкций, предназначенных для проведения конкретных технологических процессов, поэтому более подробно конструкции печей рассматриваются при изучении оборудования конкретных производств.

В отличие от печей, тепло в котлах и котлах-утилизаторах передается жидкому теплоносителю. Наиболее распространенным теплоносителем является вода, которая может просто нагреваться

(водогрейные котлы) или испаряться (паровые котлы). Кроме во-

ды, в качестве теплоносителей могут использоваться органические жидкости и расплавы, имеющие высокую температуру кипения: высокотемпературные органические теплоносители (ВОТ) и неорганические теплоносители. К ним относятся:

–ДФС – дифенильная смесь (эвтектическая смесь: 26,5 % дифенила и 73,5 % дифенилоксида);

–ДТМ – дитолилметан;

–ИС-40А – минеральное масло;

–АМТ-300 – ароматизированное масло;

–КТ-2 – дифенил-дитолиловая смесь (50 % дитолилметана, 36,8 % дифенилоксида и 13,2 % дифенила);

–СС-4 – соляной теплоноситель (эвтектическая смесь: 40 %

NaNO2, 7 % NaNO3, 53 % KNO3);

– различные металлические расплавы. Основными преимуществами ВОТ являются:

♦высокие температуры кипения;

♦уменьшение объема при затвердевании;

♦не вызывают коррозию оборудования.

Основной их недостаток заключается в том, что при повышении температуры они могут разлагаться, поэтому область применения ВОТ ограничивается температурами 385–400 °С. Для температур 500–550 °С применяют соляные теплоносители.

Вода по сравнению с ВОТ характеризуется наиболее высокими теплопередающими свойствами, безопасна, имеет большую теплоту парообразования, однако обладает и существенными недостатками: высокое давление пара при относительно небольших температурах насыщения; требуется очистка от солей жесткости и растворенного кислорода; может вызвать коррозию оборудования;

113

относительно высока температура плавления; при затвердевании объем рабочего тела увеличивается.

Характеристики основных теплоносителей, использующихся в котлах, даны в табл. 4.1.

Таблица 4 . 1

Характеристики основных теплоносителей

Основными характеристиками котлоагрегатов являются паропроизводительность или тепловая мощность, вид сжигаемого топлива, параметры теплоносителей на входе и выходе из котла, характер циркуляции теплоносителя в агрегате, температура подогрева воздуха, тип топки и т.п. Если котел или котел-утилизатор вырабатывает пар, то к характеристикам котла будут относиться и параметры вырабатываемого пара.

4.1. Котлы и вспомогательное оборудование: особенности конструкции и работы

Как было показано выше, для передачи тепловой энергии от котла к потребителю существует достаточно большое количество альтернативных теплоносителей, которые так или иначе используются в различных химических производствах. Однако наиболее широко используемым теплоносителем, применяющимся для преобразования теплоты в работу, является водяной пар. Это связано с тем, что вода − достаточно устойчивое, наиболее распространенное и безопасное химическое соединение. Кроме того, она имеет достаточно высокую критическую температуру и теплоту испарения, что позволяет подвести большое количество тепла к единице ее массы при испарении.

Теплота испарения ВОТ (ДФС или ДТМ) почти в 9 раз меньше, чем воды, и высокотемпературные органические теплоносители зна-

114

чительно дороже воды, поэтому историческое развитие энергетики шло по пути совершенствования оборудования, используемого для выработки водяного пара: повышения удельной паропроизводительности, параметров пара (давления и температуры), увеличения полноты использования тепловой энергии (КПД котла), надежности, безопасности и т.п.

Прародителем паровых котлов является цилиндрический котел

(рис. 4.1).

Рис. 4.1. Схема цилиндрического котла

Он состоит из горизонтальной цилиндрической емкости 1, которая в дальнейшем стала называться барабаном котла, и топки 2. Причем, как видно на рис. 4.1, только стенки барабана котла работают как поверхность нагрева.

При повышении удельной паропроизводительности котла, температуры и давления вырабатываемого пара обогреваемой поверхности барабана стало недостаточно для обеспечения необходимой интенсивности теплопередачи, а изготовление больших барабанов было неэффективно, поэтому в дальнейшем совершенствование котлов шло двумя путями:

1)помещение топки и поверхностей теплообмена внутрь барабана, при этом в больших трубах происходило горение топлива (жаровые трубы), а по малым проходили продукты сгорания (дымогарные трубы);

2)увеличение количества барабанов с постепенным уменьшением их диаметра (батарейные котлы), что привело к замене барабанов небольшого диаметра на трубы (водотрубные котлы).

При дальнейшем повышении параметров вырабатываемого пара

иразвитии техники наиболее технологичными и выгодными оказались водотрубные котлы (рис. 4.2).

115

барабан частично помещен в зону нагрева, а размеры нижнего коллектора приближаются к размерам барабана.

С дальнейшим развитием техники появились паровые турбины, конструкция которых не допускает конденсацию пара, поэтому у энергетических котлов (вырабатывающих пар для его подачи в турбины) стали устанавливать пароперегреватели. В настоящее время существует множество схем энергетических котлов, вырабатывающих перегретый пар.

Пример одной из схем современного энергетического парового котла с естественной циркуляцией, вырабатывающего перегретый пар, представлена на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Схема современного парового котла, вырабатывающего перегретый пар

Котел состоит из топки 3, барабана 6, пароперегревателя 7, экономайзера 8, воздухоподогревателя 9 и системы трубопроводов высокого давления. Внутри топки находится горелка 2 и испарительные (экранные) поверхности нагрева 1. Предварительно очищенная от солей жесткости и растворенного кислорода (деминерализованная и деаэрированная) питательная вода подается на предварительный подогрев в экономайзер 8, где в зависимости от режима работы котла она может подогреваться, доводится до температуры кипения либо даже частично испаряться. После экономайзера вода или пароводяная смесь подаются в барабан котла. Туда также подается пароводяная смесь из испарительных труб. Уровень жидкой фазы и давление в барабане поддерживаются автоматикой

117

или вручную за счет изменения расхода питательной воды и количества сжигаемого топлива. Основной функцией барабана котла является сепарация жидкой и паровой фазы, т.е. в барабане котла поддерживаются условия парожидкостного равновесия: жидкость при температуре кипения – насыщенный пар. Таким образом, если питательная вода из экономайзера будет подаваться с температурой ниже температуры кипения, то часть пара израсходуется на разогрев этого потока, количество пара и его давление в барабане будут уменьшаться. Из барабана котла вода подается по опускным трубам 5 в коллектор 4 и далее в испарительные трубы. Сухой насыщенный пар из верхней части барабана может подаваться либо потребителю насыщенного пара, либо сначала в пароперегреватель, где сухой насыщенный пар перейдет в состояние перегретого, а затем – потребителю перегретого пара.

Кроме котлов с естественной циркуляцией, существуют котлы с принудительной циркуляцией (рис. 4.4).

Рис. 4.4. Циркуляция теплоносителя в котлах: а – естественная; б – принудительная: 1 – барабан;

2 – опускные трубы; 3 – испарительные поверхности; 4 – коллектор; 5 – циркуляционный насос

По сравнению с котлом с естественной циркуляцией в котле с принудительной циркуляцией теплоносителя для испарительного пучка возможно использовать трубы меньшего диаметра и располагать их более компактно, что позволит увеличить удельную производительность котла. Кроме того, при принудительной циркуляции снижается доля паровой фазы в испарительных трубах за счет увеличения скорости потока воды, что уменьшает термические сопротивления и гидравлические удары в трубе и увеличивает их срок службы.

118

Рассмотрим процессы, происходящие в котле при превращении воды в перегретый пар, более подробно. Они изображены на T,S-диа-

грамме (см. рис. 1.17, гл. 1.8).

При упрощенном рассмотрении происходящих в котле процессов процесс А0–А1 соответствует экономайзеру, А1–А2 – испарительным трубам, А2–А3 – пароперегревателю, причем все процессы изобарные, т.е. давление питательной воды соответствует давлению перегретого пара. Соответственно, теплота q1 передается в экономайзере, q2 – в испарительных трубах и q3 – в пароперегревателе. Сумма теплот q1, q2 и q3 является полезно использующейся частью теплоты, образовавшейся при сгорании топлива. Однако необходимо отметить, что в каждом конкретном случае граничные точки процессов могут смещаться. Так, для маломощных котлов, экономайзер которых только подогревает воду, параметры выходящей из экономайзера воды будут находиться на линии А0–А1 (вода не закипает), а для мощных котлов, допускающих в экономайзере частичное испарение воды, – на линии А1–А2. Неизменной будет только точка А2, соответствующая параметрам сухого насыщенного пара, выходящего из барабана котла и поступающего в пароперегреватель.

Как было указано ранее, теплота может передаваться от наиболее нагретого 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 (эффективной разницей температур) и максимальным коэффициентом теплопередачи. Так как среди q1, q2 и q3 максимальное значение имеет q2, испарительные поверхности помещены в топку, т.е. в зону высоких температур (около 1500 °С), где велика излучающая составляющая.

Поскольку значительное количество теплоты к испарительным поверхностям в топке передается излучением (радиацией), то испарительные поверхности и зону котла принято называть радиантными, а теплообменные поверхности и зону котла, где основное количество теплоты передается теплопередачей или конвекцией, – кон-

вективными.

Согласно схеме котла (см. рис. 4.3) за радиантными (испарительными) поверхностями следует пароперегреватель, где температура дымовых газов на входе достигает 1000 °С, а пар из насыщенного превращается в перегретый. Далее дымовые газы с температурой 500–700 °С поступают в экономайзер, где, подогревая питательную

119

воду, охлаждаются до 160–210 °С и поступают в воздухоподогреватель. В воздухоподогревателе нагревается воздух, подающийся на сжигание в горелки, что позволяет утилизировать часть низкопотенциального тепла дымовых газов. Ориентировочные коэффициенты теплоотдачи для различных теплообменных поверхностей представлены в табл. 4.2. Следует обратить внимание, что коэффициент теплоотдачи к теплоносителю в трубах радиантной зоны и экономайзера значительно выше, чем от дымовых газов к стенке трубы.

Таблица 4 . 2 Ориентировочные значения коэффициентов теплоотдачи в котле

Таким образом, анализируя значения коэффициентов теплоотдачи, можно утверждать, что температура стенок кипятильных труб будет приближаться к температуре теплоносителя, а в пароперегревателе – к температуре дымовых газов. По данной причине теплообменные секции пароперегревателя должны быть изготовлены из специальных жаростойких и жаропрочных сталей.

Схема типичного газомазутного парового котла ТГМ-84Б, вырабатывающего перегретый пар, представлена на рис. 4.5 (рисунок взят из [1]). Схема двухбарабанного котла типа ДКВР представлена на рис. 4.6 (рисунок взят из [1]). Этот котел является очень распространенным и может вырабатывать 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 (парогенери-

рующие) поверхности нагрева отличаются в котлах различных конструкций, тем не менее они, как правило, располагаются в радиантной зоне котла как экранные поверхности, защищая от излучения стенки топки, так как в этой зоне достигается максимальная интенсивность теплопередачи (коэффициент теплопередачи). Обычно

120