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 6размещаются 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 9и 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 15пода­ются на дымовую трубу 16.

Насыщенный пар из барабана-сепаратора проходит па­роперегреватель и далее поступает в заводской паропро­вод перегретого пара.

Подпитка контура циркуляции 12осуществляется хи­мически очищенной деаэрированной водой 11,которая по­догревается в трубчатом теплообменнике — экономайзере 9и подается в барабанкотла. 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 барабанакотла 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 4и 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.

На 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:

1) по виду теплоносителя: водяные и паровые. К первым относятся кессоны и трубчатые охладители, ко вторым котлы-утилизаторы или схемы испарительного охлажде­ния;

2) по виду преимущественного теплообмена: радиационные и радиационно-конвективные. В первых охлаждение газов происходит до 800 – 1200°С, во вторых до 250 – 400°С;

3) по схеме циркуляции теплоносителя: с принудитель­ной, естественной и комбинированной схемами циркуля­ции;

4) 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 кВт×ч 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 (38´4 и 38´5 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 25´3,5 мм и 32´3 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 38´5 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.