Одной из важнейших проблем, стоящих сейчас перед энергетикой нашей страны, является истощение топливно-энергетических ресурсов, таких как нефть, природный газ, каменный уголь, на фоне все более интенсивного роста энергопотребления. Основными направлениями экономического развития России предусмотрена программа развития топливно-энергетического комплекса и экономии энергоресурсов. В частности, планируется переход на энергосберегающие технологии производств, сокращение всех видов энергетических потерь и повышение уровня использования вторичных энергоресурсов (ВЭР).
Значительная экономия топливно-энергетических ресурсов может быть достигнута при более широком вовлечении в топливно-энергетический баланс страны вторичных энергоресурсов, имеющихся практически во всех отраслях промышленности, где применяются теплотехнические процессы, в первую очередь высокотемпературные. Коэффициент полезного теплоиспользования для многих процессов не превышает 15-35%.
ВЭР можно использовать в качестве топлива либо непосредственно (без изменения вида энергоносителя), либо за счет выработки теплоты, электрической энергии, холода, механической работы в утилизационных установках. Использованию ВЭР в последние годы уделяется значительное внимание. Вместе с тем вопросы рационального использования ВЭР освещены недостаточно.
Одним из рациональных направлений использования ВЭР является применение систем утилизации теплоты, в которые входят котлы-утилизаторы (КУ).
Котёл-утилизатор— устройство, передающее теплоту отходящих газов дизелей или газотурбинных установок, сушильных барабанов, вращающихся и туннельных печей другому теплоносителю, общий вид представлен на рис.1.
Рис. 1. Котёл-утилизатор
Применение котлов утилизаторов существенно повышает эффективность работы оборудования.
Котлы утилизаторы позволяют получать:
горячую воду - применяются на объектах, испытывающих потребность в горячей воде и позволяют оптимизировать затраты на тепло, используя на полезные нужды тепло уходящих выхлопных газов котельных или газопоршневых электростанций;
пар - применяются на объектах, использующих большое количество пара для технологических нужд.
К преимуществам паровых котлов-утилизаторов относится уменьшение отвода тепла в атмосферу и более эффективное использование топлива.
В зависимости от типа, котлы-утилизаторы могут быть: паровые и водогрейные; оснащенные дожигающим устройством или без него; одного, двух или трех уровней давлений; вертикального и горизонтального профиля; подвесные и самоопорные.
Рис. 2. Принцип работы парового КУ
При работе котла в качестве парового, (рис.2) — барабан заполняется водойтолько до середины. В последнем случае пар, выделяющийся из воды, поступает в паровое пространство, откуда через патрубок, находящийся в верхней части барабана, или из сухопарника отводится к потребителю. Пополнение испарившейся воды производится по специальной трубе.
Водогрейный КУ (рис. 3.) служит для получения горячей воды для использования в системах отопления, вентиляции и горячего водоснабжения. Водогрейные котлы-утилизаторы обычно называются утилизационными экономайзерами, или подогревателями.
Рис. 3. Схема работы водогрейного КУ
Применение паровых котлов утилизаторов в промышленности, строительстве и сельском хозяйстве позволяет реализовывать энергосберегающие технологии.
Крупные котлы-утилизаторы не имеют всех элементов котлоагрегата. Отходящие вторичные газы попадают сразу на поверхности нагрева (экономайзер, испаритель, пароперегреватель). Воздухоподогреватель и топка в котлах-утилизаторах отсутствуют, так как газы, используемые в котле, образуются в технологическом процессе основного производства. Температура газов, поступающих в энергетический котел-утилизатор, приблизительно составляет 350—700 °C.
Большое разнообразие конструкций котлов-утилизаторов и энерготехнологических агрегатов объясняется, прежде всего различными местными условиями их применения. Так, например, на химических производствах есть установки, в которых энергетический агрегат работает при давлении охлаждаемых газов до 0.7 МПа (7 кгс / см2); давление же газов в 0.1 – 0.15 МПа ( 1 – 1,5 кгс / см2) встречается весьма часто.
В некоторых конструкциях котлов-утилизаторов типа ГТКУ имеются два отсека, в которых расположены газотрубные секции. Для регулирования расхода отходящих газов внутри котла установлен перепускной (байпасный) газоход с шибером. Все газовые трубы защищены от износа предохранительными гильзами из стали марки X17.
Конструкция котла обеспечивает хорошую герметизацию агрегата. Испарительные элементы, расположенные в печи и газоходах котла, объединены в общий циркуляционный контур.
Отходящие газы после сушки или обжига материалов содержат много пыли и других химических веществ, что вызывает необходимость очистки газов до котла-утилизатора.
Наиболее часто для очистки используют циклоны и электрофильтры. Этой очистки все равно не хватает для полного очищения газов. Пыль оседает на поверхности нагрева и малейшая протечка увлажняет пыль и значительно уменьшает теплоотдачу, что вызывает неравномерный нагрев и влечёт перекос змеевиков.
Присутствие в газах соединений кальция, натрия, серы приводят к образованию на змеевиках сцементировавшихся отложений, вызывающих химическую коррозию поверхностей нагрева и снижающих живое сечение для прохода газов. В настоящее время стали появляться котлы-утилизаторы, которые содержат камеру дожигания отходящих газов.
Чтобы устранить оседание частиц сажи на рабочих поверхностях котла, следует предусмотреть высокие скорости газа. Опыты показывают, что котел-утилизатор работает удовлетворительно при скорости газа в трубах не менее 25 - 30 м/сек. При этих скоростях газовый поток находится в режиме так называемого самообдува теплообменных поверхностей, так что сажа не оседает на них. Использование обычно применяемых в промышленности паровых котлов, без учета указанных особенностей теплоносителя, не дает желаемых результатов.
Рис. 4. КУ с принудительной циркуляцией
Схема котла-утилизатора с принудительной циркуляцией (рис.4.): 1 —барабан; 2 — испарительная часть; 3 — пароперегреватель; 4 — водяной экономайзер.
Для малых производительностей и низких давлений применяются котлы-утилизаторы газотрубные либо с многократной принудительной циркуляцией, реже — прямоточные сепараторные и барабанные котлы-утилизаторы с естественной циркуляцией.
Таким образом, применение котлов-утилизаторов в системах утилизации теплоты позволяет более полно использовать энергию топлива в энергетических установках, что существенно повышает их эффективность. Также следует продолжитьи исследования в области повышения эффективности котлов –утилизаторов.
Литература:
- Агафонов А.Н., Сайданов В.О., Гудзь В.Н. Комбинированные энергоустановки объектов малой энергетики. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2005. – 262 с.
- Андрющенко А.И. Основы термодинамики циклов теплоэнергетических установок. – М.: высшая школа, 1985. – 319 с.
- Разуваев А.В. Поршневые двигатели внутреннего сгорания с высокотемпературным охлаждением. – Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2001. – 128 с.
- Агафонов А.Н., Разуваев А.В. Совершенствование характеристик энергетических установок на базе двигателей ЧН 21/21 объектов малой энергетики - Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2006. – 148 с.
- Петриченко Р.М., Аверьянов В.К. Системы жидкостного охлаждения быстроходных ДВС. – Л.: Машиностроение, 1975. – 287 с.
- Селиверстов В.И. Утилизация тепла в судовых дизельных установках. – Л.: Судостроение, 1973. – 218 с.
- Кривов В.Г., Агафонов А.Н. Предложения по созданию комбинированных малых теплоэлектроцентралей на базе поршневых и газотурбинных двигателей с утилизацией теплоты // Двигателестроение. – 1998. – № 2. – С. 3-5.
