- •Оглавление
- •Предисловие
- •Глава і основы механики печных газов
- •§ 1. Элементы теории подобия
- •§ 2. Общие сведения о свойствах и движении жидкостей и газов
- •§ 3. Статика газов
- •§ 4. Динамика газов
- •§ 5. Движение газов в рабочем пространстве металлургических печей
- •Глава іі основы теплопередачи
- •§ 1. Характеристика процессов теплообмена
- •§ 2. Конвективный теплообмен
- •§ 3. Теплопроводность
- •§ 4. Теплообмен излучением
- •Глава ііі нагрев металла
- •§ 1. Окисление и обезуглероживание стали
- •§ 2. Основы рациональной технологии нагрева стали
- •§ 3. Расчет нагрева металла
- •Глава IV топливо и его сжигание
- •§ 1. Характеристика топлива
- •§ 2. Основы теории горения топлива
- •§ 3. Устройства для сжигания топлива
- •Глава V материалы и строительные элементы печей
- •§ 1. Огнеупорные материалы
- •§ 2. Теплоизоляционные материалы
- •§ 3. Строительные материалы и металлы, применяемые для печей и их элементов
- •§ 4. Строительные элементы печей
- •§ 5. Сооружение печей
- •Глава VI утилизация тепла в метал- лургических печах
- •§ 1. Характеристика методов утилизации тепла в металлургических печах
- •§ 2. Утилизация тепла отходящих дымовых газов с целью предварительного подогрева газа и воздуха
- •§ 3. Утилизация тепла отходящих дымовых газов в теплосиловых устройствах
- •§ 4. Охлаждение печей
- •Глава VII очистка дымовых газов
- •§ 1. Характеристика газоочистных устройств
- •§ 2. Очистка газов доменного производства
- •§ 3. Очистка газов в сталеплавильном производстве
- •§ 4. Очистка газов в ферросплавном производстве
- •ГлаваViii топливные печи и конвертеры,
- •§ 1. Классификация и общая характеристика тепловой работы печей
- •§ 2. Доменные печи
- •§ 3. Сталеплавильные агрегаты
- •§ 4. Нагревательные печи прокатных цехов
- •§ 5. Термические печи прокатных цехов
- •Глава IX электрические печи, применяемые
- •§ 1. Характеристика процесса электрического нагрева
- •§ 2. Дуговые и плазменные печи
- •§ 3. Индукционные печи
- •§ 4. Печи сопротивления
- •§ 5. Электронно-лучевые печи
- •Глава X пуск, эксплуатация и ремонт печей
- •§ 1. Пуск и разогрев печей
- •§ 2. Эксплуатация печей и уход за ними
- •§ 3. Ремонт печей
- •§ 4. Техника безопасности при эксплуатации печей
- •Рекомендательный библиографический список
- •Условные обозначения
- •Предметный указатель
§ 3. Утилизация тепла отходящих дымовых газов в теплосиловых устройствах
Котельные установки
Энергетическое хозяйство металлургического завода предназначено для выработки и распределения энергии или энергоносителей разных видов.
К основным энергетическим цехам завода относятся тепловая электрическая станция (ТЭЦ) или паро-воздухо-дувная станция (ПВС), кислородный цех, теплосиловой цех, цех тепловых и газовых сетей и др.
Кроме электроэнергии на заводе вырабатываются такие энергоносители, как пар и горячая вода, сжатый воздух, кислород.
Теплоэнергетическое оборудование или теплосиловые устройства, на которых получается тот или иной энергоноситель, состоит из различного вида парогенераторов, паровых и газовых турбин, турбокомпрессоров и воздуходувок и т.д. На производство энергоносителей затрачивается более 13% от всей потребляемой заводом энергии.
К парогенераторам относятся энергетические котельные агрегаты, расположенные на ТЭЦ, а также котлы – утилизаторы (КУ) и системы испарительного охлаждения (ИО), размещенные вблизи металлургических печей.
Энергетический котельный агрегат предназначается для выработки перегретого водяного пара энергетических параметров, т.е. давлением 1,4 – 14 МПа и температурой 420 – 560°С (рис. 85).
Работу парового котла обеспечивают системы топливо-приготовления и топливоподачи 1 – 3, устройства для сжигания топлива 4, система шлако- и золоудаления 17, химводоочистки и система КИП и автоматики.
Паровой котел – это трубчатый теплообменник, состоящий из радиационной части – экранов и конвективной части – змеевиковых пакетов труб, соединенных с барабаном-сепаратором.
Рис. 85. Схема котельного агрегата
Трубчатые экраны радиационной части 6 размещаются на стенах топочной камеры 5, где сжигается топливо. Экраны представляют собой ряд вертикальных труб, которые через верхние и нижние коллекторы подключены в барабану 7 и образуют замкнутый циркуляционный контур для пароводяной смеси. В современных котлах применяется как многократная принудительная, так и естественная циркуляция пароводяной смеси.
На выходе дымовых газов из топки размещаются змеевики труб конвективной части поверхности нагрева, затем следуют пакеты труб пароперегревателя 8. В опускном вертикальном газоходе находятся хвостовые поверхности нагрева – водяной экономайзер 9 и воздухоподогреватель 10. Здесь температура газов снижается с 500 – 700°С до 100°С.
Дымовые газы на выходе из воздухонагревателя направляются на газоочистку 14, а затем дымососом 15 подаются на дымовую трубу 16.
Насыщенный пар из барабана-сепаратора проходит пароперегреватель и далее поступает в заводской паропровод перегретого пара.
Подпитка контура циркуляции 12 осуществляется химически очищенной деаэрированной водой 11, которая подогревается в трубчатом теплообменнике — экономайзере 9 и подается в барабан котла. Эта вода называется питательной, она состоит из возвратного конденсата и химоочи-щенной сырой воды. Количество ее соответствует паро-производительности котла и компенсации продувки. Для вывода из контура циркуляции накопленных солей, часть воды из барабана котла удаляется в виде продувочной воды (до 5%).
Воздух, необходимый для сжигания топлива 13, проходит подогрев в воздухоподогревателе – в трубчатом или регенеративном теплообменнике 10.
Эффективность преобразования энергии топлива в энергию пара в котле характеризует коэффициент полезного действия (к.п.д.). К.п.д. котлоагрегата определяют как отношение полезно затраченного тепла ко всему, выделенному при сжигании топлива.
Для современных крупных котлоагрегатов к.п.д. составляет 80 – 90%. Паропроизводительность достигает 420 т/ч при давлении 14 МПа.
Котлы могут отапливаться пылевидным угольным, газовым, а также жидким топливом. На ТЭЦ металлургических заводов, как правило, отопление комбинированное, а котлоагрегаты оборудованы устройствами для сжигания 2 – 3 видов топлива.
Расчет теплообмена в котлоагрегате дает возможность определить величину поверхностей нагрева Н, м2 при заданной паропроизводительности D, кг/ч или наоборот, для выбранного типа котла с поверхностью нагрева H уточнить его Паропроизводительность D. В основе расчетов лежат уравнения теплового баланса и уравнения теплопередачи.
Движение продуктов горения в газоходах котлоагрегата обеспечивается дымососом, установленным за золоуловителем, перед дымовой трубой. Тип золоуловителя, как правило, зависит от вида сжигаемого топлива – центробежный сруббер, батарейный циклон или электрофильтр.
Выбор типа и режима работы дымососа производится на основе аэродинамического расчета котельного агрегата. При конструировании или реконструкции котла выполняется также расчет и оценка надежности циркуляции. Циркуляция в пароводяном контуре котла может быть организована по естественному или принудительному принципу. В первом случае движение вызывается разностью плотностей воды и пароводяной смеси, во втором – в основном напором, создаваемым специальным циркуляционным насосом.
На многих ТЭЦ установлены котлы Барнаульского и Таганрогского котельных заводов паропроизводительностью 200 – 400 т/ч перегретого пара.
Котлы-утилизаторы мартеновских печей
В отличие от рассмотренных выше энергетических парогенераторов в котлах-утилизаторах (КУ) вместо тепла от сжигания топлива используется физическое тепло отходящих газов промышленных печей. Основная задача, которой удовлетворяют КУ, снизить температуру выбрасываемых в атмосферу газов (и тем самым повысить к.п.д. печи), преобразовав их тепло в энергию водяного пара.
Конструкция КУ (рис. 86) состоит из трубчатых испарительных поверхностей нагрева 3, пароперегревателя 1, водяного экономайзера 4 и барабана-сепаратора 2. В некоторых типах КУ для низкотемпературных газов пароперегреватель отсутствует. Для работы при высоких температурах (1000 – 1200°С) на входе в КУ предусматривается радиационная камера, за которой размешается пароперегреватель, а далее конвективные испарительные поверхности.
Н а металлургических заводах в основном применяются унифицированные агрегаты с принудительной циркуляцией паро-водяной смеси типа КУ-125, КУ-100-1 и КУ-80-3. Первая цифра в маркировке означает максимальный часовой расход газов через котел в тыс. м3/ч. Допустимые температуры газа на входе 650 – 850°С, параметры пара Р = 1,8 4,5 МПа, Т = 365 385°С. Паропроизводительность достигает 30 – 41 т/ч.
Расчеты (тепловой, аэродинамический) котлов-утилизаторов выполняются по тем же нормам, как и энергетические котлы. При этом удельные показатели относят не к 1 м3 (кг) сжигаемого топлива, а к 1 м3 отходящих газов, поступающих в котел-утилизатор.
Котлы-утилизаторы кислородных конвертеров
Поверхностные охладители конвертерных газов можно классифицировать по следующим основным признакам:
по виду теплоносителя: водяные и паровые. К первым относятся кессоны и трубчатые охладители, ко вторым котлы-утилизаторы или схемы испарительного охлаждения;
по виду преимущественного теплообмена: радиационные и радиационно-конвективные. В первых охлаждение газов происходит до 800 – 1200°С, во вторых до 250 – 400°С;
по схеме циркуляции теплоносителя: с принудительной, естественной и комбинированной схемами циркуляции;
по виду газохода: с одним восходящим газоходом (наклонным или вертикальным) Λ-образным газоходом, с П-образным газоходом и др.
На многих заводах в схемах с дожиганием оксида углерода в качестве охладителей продуктов сгорания применяются радиационно-конвективные паровые котлы-утилизаторы с принудительной циркуляцией, с П-образной компоновкой газохода. В схемах «без дожигания» или «с частичным дожиганием» – радиационные паровые с принудительной и естественной циркуляцией с П-образным или одиночным вертикальным газоходом.
В большинстве конструкций охладителей конвертерных газов в качестве поверхностей нагрева применяют трубы. В радиационной части трубы, соединенные мембраной, образуют сплошные мембранные трубчатые панели.
Рассмотрим особенности конструкций паровых котлов-утилизаторов и водяных охладителей конвертерных газов. Условия работы конвертерных котлов от обычных котлов-утилизаторов отличаются резкими колебаниями тепловой нагрузки. В этих котлах применяются схемы с принудительной и естественной циркуляцией.
Принципиальная схема конвертерного котла-утилизатора с принудительной циркуляцией состоит в следующем. Питательная вода поступает в водяной экономайзер, а затем – в барабан-сепаратор, где смешивается с котловой водой. Вода из барабана по опускным трубам поступает в циркуляционные насосы. Насосы подают воду в коллекторы экранов и змеевиков, где установлены уравнительные дроссельные шайбы. Образующаяся в экранных трубах паро-водяная смесь поступает в барабан. Пар из барабана отводится в цеховой паропровод, а вода по опускным трубам вновь поступает к насосам.
Как показала практика, схема с принудительной циркуляцией значительно усложняет и удорожает эксплуатацию котла-утилизатора. Расход электроэнергии на привод насосов достигает 4 кВтч на 1 т стали. Поэтому были созданы схемы котлов с комбинированной, а затем и с естественной циркуляцией.
Естественная циркуляция возникает под действием разности плотностей воды и паро-водяной смеси в контуре.
Конструкция теплообменных поверхностей конвертерных котлов определяется видом преимущественного теплообмена. Так как на выходе из горловины конвертера газы имеют температуру не ниже 1600°С, то эта часть котла всегда выполняется как радиационная, т.е. цилиндрическая, прямоугольная или многогранная шахта, экранированные стены которой воспринимают тепло излучением. Здесь происходит охлаждение газов до температуры около 1000°С.
Радиационная часть котла работает в условиях повышенной запыленности, а значительный вынос жидких частиц в период продувки может привести к зашлаковыванию и настылеобразованию. Поэтому в большинстве конструкций котлов радиационная часть делается из двух отдельных секций. Первая, радиационная секция в виде гладкостенно-го или трубчатого кессона подвижна и может отводиться в период перефутеровки конвертера. Как правило, кессоны имеют самостоятельный контур циркуляции. Конструкция кессона предусматривает возможность производить через него засыпку сыпучих и ввод кислородных фурм, а также стекание шлака со стен обратно в конвертер. Угол наклона к вертикали 30 – 40°.
Стационарная секция радиационной части котла компонуется в виде вертикальной шахты или в виде Г- или П-образного газохода. В качестве поверхностей нагрева используются трубы малого диаметра (384 и 385 мм). В связи с этим котлы имеют малый водяной объем и малоинерционны в режиме резких колебаний паропроизводительности. Трубы или мембранные панели из них располагаются вдоль направления движения газов.
Если в межпродувочный период осуществить подтопку котла, то он может вырабатывать пар для энергетических или технологических нужд, то есть непрерывно. В этом случае в радиационной части котла размещаются дополнительные устройства для сжигания газообразного топлива (например горелки для коксодоменной смеси или природного газа). Подтопка котла действует непрерывно, но нагрузка горелок регулируется автоматически в зависимости от режима выхода конвертерного газа.
Конструкция радиационно-конвективных котлов, предназначенных для работы с дожиганием СО и утилизацией тепла, имеет опускной конвективный газоход. В нем размещаются трубчатые испарительные и экономайзерные поверхности нагрева. По такому принципу сконструированы отечественные котлы типа ОКГ-100-2р и ОКГ-100-3, работающие за конвертерами садкой 130 – 150 т. Для конвективных поверхностей применяются трубы диаметром 253,5 мм и 323 мм. Трубы размещаются поперек потока газов в коридорном или шахматном порядке.
Температура газов перед конвективной поверхностью не превышает 1000 – 1100°С, что обеспечивает их бесшлаковую работу. Газоход конвективной части прямоугольного сечения. Для очистки поверхности нагрева применяется виброочистка или импульсная. Аэродинамическое сопротивление котла составляет 2000 – 3000 Па. Газы на выходе имеют температуру около 300°С. При величине подтопки 20 – 30 МВт котлы вырабатывают 160 – 200 т/ч насыщенного пара при давлении соответственно 2,5 и 4,6 МПа. Такие котлы требуют установки 5 – 8 циркуляционных насосов. Технико-экономические расчеты показывают, что с увеличением садки конвертеров до 300 т и более и интенсивности продувки кислородом до 5 м3/мин, паропроизводительность котлов возрастает до 800 – 900 т/ч, что требует увеличенных капитальных затрат и эксплуатационных расходов. В этих условиях технико-экономические показатели схем отвода газов в режиме без дожигания становятся более предпочтительными.
Для схем без использования тепла или с частичной его утилизацией предназначены котлы с радиационными поверхностями нагрева. Среди отечественных котлов такого типа ОКГ-250бд и ОКГ-250-2 с принудительной циркуляцией.
Конструктивной особенностью радиационных котлов является отделяемый кессон круглого сечения. Он соединен со стационарным газоходом с помощью линзового компенсатора. Стены стационарного газохода представляют экранную поверхность из вертикальных труб диаметром 385 мм с шагом между осями 50 мм. Концы труб приварены к коллекторам. В зоне кессона трубы сварены между собой пластинами и образуют сплошную мембранную поверхность. По высоте котлы разделяются на 2 – 3 параллельных контура.
Производительность котлов зависит от расхода кислорода на продувку. Температура газов на выходе из такого котла высока около 1000 °С. Поэтому газы далее по тракту перед газоочисткой охлаждаются впрыском воды в газоход. Аэродинамическое сопротивление радиационных котлов не велико и составляет 200 – 300 Па.
Турбинные установки
Паротурбинные установки. Основным элементом турбинных установок является турбина-двигатель с непрерывным рабочим процессом. Энергия рабочего тела (пара, газа или воды) на лопатках рабочего колеса турбины непрерывно преобразуется в механическую. Механическая энергия, полученная колесом, определяется разностью кинетических энергий рабочего тела на входе и выходе из канала, образованного соседними лопатками колеса турбины. В паровых турбинах для создания высокой скорости на входе в лопатки применяются сопла, в которых потенциальная энергия пара частично или полностью преобразуется в кинетическую. Давление пара падает, скорость растет. Из уравнения баланса энергии несложно определить зависимость скорости выхода из сопла 1 (или выхода на лопатку) от величины разности энтальпий пара I до и после сопла:
, м/с, (86)
где – коэффициент скорости, учитывающий потери на трение, вихреобразование и т.п.
В диаграмме I – S (рис. 87) эта разность энтальпий для одной ступени (сопло – лопатка) имеет вид отрезка 1 – 2а при адиабатном истечении, а с учетом потерь – отрезка 1 – 2.
В конструкциях паровых турбин применяют такие ступени, в которых процесс превращения перепада давления в скорость не полностью заканчивается в соплах, а частично и в лопаточном канале, где благодаря изменению скорости, возникает реактивный эффект, повышающий окружную скорость колеса. Отношение теплоперепада на лопатках к теплоперепаду на всей ступени называется степенью реакции. Паровые турбины, у которых степень реакции ρ =hл/hа каждой из ступеней не превосходит 0,15, называются активными, а при условии ρ 0,4 реактивными.
С овременные паровые турбины выполняются многоступенчатыми и комбинированными, с использованием как активных, так и реактивных ступеней. Одним из основных элементов турбинных установок является паровой конденсатор. Это трубчатый теплообменник, в котором за счет интенсивного охлаждения водой, проходящей по трубкам происходит конденсация отработавшего в турбине пара. При конденсации рабочего пара происходит уменьшение в сотни тысяч раз его объема, т.е. резкое падение давления пара.
Как видно из диаграммы водяного пара I – S, чем ниже давление в конденсаторе, тем больше располагаемый теплоперепад, а значит и мощность, развиваемая турбиной. Глубина разрежения (или вакуума в конденсаторе) определяется начальной температурой охлаждающей воды и кратностью охлаждения.
Кратность охлаждения m – это количество охлаждающей воды, необходимой для конденсации 1 кг пара.
На современных станциях m = 50 – 70. Как правило, охлаждающая конденсатор вода циркулирует в замкнутом контуре, который включает специальные охладители — градирни или брызгальные бассейны. Конденсат, образующийся в межтрубном пространстве конденсатора, с помощью насосов подается в трубопровод питательной воды котельной установки. Скрытая теплота парообразования, уносимая охлаждающей водой, теряется.
Паротурбинные установки, у которых весь пар проходит через конденсатор, называются конденсационными. Они предназначены для выработки только электроэнергии. Их к.п.д. с учетом термодинамических потерь, внутренних или потерь несовершенства процесса, механических потерь и потерь в электрогенераторе, в современных установках достигает 29 – 39%.
Конденсационные турбины устанавливаются, как правило, на крупных электростанциях и предназначаются для выработки электроэнергии.
Н а ТЭЦ металлургических заводов наибольшее распространение имеют схемы с комбинированной выработкой тепловой и электрической энергии и регенеративным подогревом питательной воды. На таких станциях применяют турбины с производственными и теплофикационными отборами пара соответственно при Р = 0,60 – 0,130 МПа и Р = 9 – 17 МПа и Т= 480 – 570 °С. Они являются приводом электрогенераторов мощностью 17 и 22 МВт. Производственный отбор зачастую работает параллельно с утилизационными установками.
Как показывает опыт эксплуатации, такие тепловые схемы особенно выгодны на станциях, где котлоагрегаты работают с высоким подогревом воздуха. Регенератив-ный подогрев воды позволяет уменьшить поверхность водяного экономайзера котла и тем самым поднять температуру газов, поступающих в воздухоподогреватель.
Схемы с комбинированной выработкой электрической и тепловой энергии экономически более выгодны, чем схемы с чисто конденсационными турбинами.
Газотурбинные установки. При использовании газа в качестве рабочего тела газотурбинная установка (ГТУ) приобретает ряд существенных особенностей по сравнению с паротурбинной. Теплоперепад, который срабатывается в проточной части газовой турбины, значительно меньше, чем Теплоперепад паровой турбины, однако объемный и массовый расходы газа, а также уровень температур значительно выше. Это приводит к конструктивным различиям газовых турбин.
В черной металлургии успешно применяется другой тип газовых расширительных турбин — утилизационные бескомпрессорные, типа ГУБТ. В них сжигание газов не производится, поэтому камера сгорания и воздушный компрессор отсутствуют. ГУБТ предназначен для использования потенциальной энергии доменного газа с параметрами Р = 240350 кПа и T= 120 – 140°С до давления 110 кПа.
Схема включения ГУБТ в сеть доменного газа дана на рис. 88. Проточная часть турбины имеет две ступени. Подвод газа осевой, через блок поворотных диафрагм, выполняющих роль регулирующего и отсечного устройства. Отвод газа вниз, под углом через цилиндрический патрубок, и далее в сеть доменного газа.
Освоен выпуск нескольких типоразмеров ГУБТ для установки за доменными печами различного объема, которые маркируются по предельной мощности генератора на 6, 8, 12 МВт (ГУБТ - 6, 8 или 12), на расход газа соответственно 150, 260 и 360 тыс. м3/ч.
Себестоимость выработки электроэнергии по опыту ряда заводов страны составляет 0,2 – 0,35 коп/(кВтч), что значительно ниже стоимости 1 кВтч заводской ТЭЦ. Эффект от использования утилизационных турбин на доменном газе позволяет покрыть расходы на компремирование воздушного дутья доменных печей на 40%.