Утилизация высокотемпературных тепловых отходов

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Утилизация высокотемпературных тепловых отходов



Газотрубные котлы-утилизаторы

При использовании теплоты высокотемпературных отходящих газов (Тг >300600 С) устанавливаемые для этого котлы-утилизаторы (КУ) содержат обычно экономайзерные и испарительные поверхности нагрева и пароперегреватель. Глубина охлаждения отходящих газов в КУ зависит от соотношения D/Gг, где D- паропроизводительность котла, кг/ч; Gг - расход греющего газа теплоносителя, м3/ч. С уменьшением начальной температуры греющих газов Тг существенно увеличивается расход газа-теплоносителя, необходимого для выработки единицы пара, а соотношение D/Gг (при D = const) соответственно уменьшается. Так, если для обычных паровых котлов на органическом топливе параметр D/Gг  1, то для получения пара при использованиинизкотемпературных отходящих газов (Тг = 400600 С) он составляет 0,12-0,15 [4,5].

Газотрубные КУ широко распространены во многих отраслях промышленности. Продукты сгорания (отходящие технологические газы) в этих КУ проходят внутри труб, размещенных в водяном объеме барабана. Эти котлы не требуют специальной обмуровки, характеризуются высокой газоплотностью, простотой изготовления, монтажа, обслуживания и пониженными требованиями к питательной воде.

К основным недостаткам КУ подобного типа относятся низкий коэффициент использования теплоты отходящих от технологических агрегатов газов (50--60 %), высокий удельный расход металла на выработку пара (до 8 кг/(кгч)).К недостаткам следует также отнести низкий предел давления вырабатываемого пара (всего 1,5-2,0 МПа) из-за наличия барабана большого диаметра, ограниченный пропуск отходящих газов -- не более 30-40 тыс. м3/ч. Кроме того, внутренние поверхности труб, газотрубных котлов быстро заносятся уносом, поэтому необходимо применять частые чистки труб. Применение газотрубных котлов для использования теплоты низкотемпературных производственных газов целесообразно для установок небольшой мощности, особенно тогда, когда греющие газы имеют повышенное давление или содержат взрывоопасные или ядовитые компоненты.

В зависимости от конструктивного оформления газотрубные котлы делят на горизонтальные и вертикальные. Основные теплотехнические и конструктивные характеристики одно- и двухбарабанных газотрубных КУ приведены в табл. 5.

В типоразмерах газотрубных котлов буквы означают: Г  горизонтальный; В  вертикальный; Б  с дополнительным барабаном-сепаратором; И  с испарительным предвключенным пучком; Э  с экономайзером; П  с пароперегревателем. Для газотрубных энерготехнологических агрегатов буквы дополнительно обозначают: Т  с топкой;Ц с циклонной камерой сгорания. Цифра после букв Г и В означает площадь основной испарительной поверхности нагрева газотрубного котла, м2.

К газотрубным горизонтальным однобарабанным КУ относятся агрегаты типов Г-250, Г-250П, Г-345, Г-345П, Г-550П и др., предназначенные для выработки насыщенного, а при наличии пароперегревателя -- перегретого пара за счет использования теплоты технологических газов.

Таблица 5

Основные технические характеристики котлов-утилизаторов

Тип котла	Назначение	Паропроизводи-тельность, т/ч	Давление, МПа	Температура, єС	Объем дымовых газов, м3/ч	Температура газов перед котлом, єС	Температура уходящих газов, єС
Г-150	Охлаждение технологических газов в процессе обезвреживания сероводородных газов	0,53	0,5	151	2293	360	159
Г-420		1,0	0,5	151	7257	280	155
Г-950		5,0	0,5	151	21870	287	161
Г-250	Охлаждение технологических газов	3,2	1,4	194	16000	600	270
Г-345		8,1	1,4	194	40000	600	260
Г-250П		3,1	1,4	240	16000	600	260
Г-345П		7,9	1,4	260	40000	600	250
Г-550П		11,6	1,4	280	55000	600	240
Г-145Б		4,7	1,4	194	8000	1200	280
Г-1030Б		31	1,4	194	50000	1200	240
Г-330БИ		9,5	1,4	194	15000	1200	310
Г-445БИ		15,7	1,4	194	25000	1200	250
Г-660БИ		23,3	1,4	194	35000	1200	235
В-90Б		5,0	0,8	170	25000	850	560
В-460Б		6,6	1,4	194	60000	400	225
Г-400ПЭ	В производстве азотной кислоты	7,5	1,6	230	66500	405	185
Г-420 БПЭ		25	15	250	56200	900	-

На рис. 1 показан котел Г-250 с пароперегревателем, с площадью испарительной поверхности нагрева котла 250 м2. Отходящие газы технологического агрегата поступают во входную камеру, проходят через трубы и через выходную камеру удаляются в атмосферу. Испарительная поверхность нагрева выполнена из труб диаметром 50 мм с толщиной стенки 3 мм.В верхней части барабана расположено сепарационное устройство, представляющее собой пароприемный короб и дырчатые листы.

К группе газотрубных горизонтальных двухбарабанных с вынесенным барабаном-сепаратором котлов-утилизаторов относят Г-145Б, Г-330БИ, Г-445БИ, Г-660БИ, Г-1030Б и др., предназначенные для выработки насыщенного пара за счет использования теплоты технологических и отходящих газов.

Рис. 1. Котел-утилизатор Г-250:

1входная камера; 2трубы пароперегревателя; 3 - трубы испарителя; 4паросепарационное устройство; 5 подвод питательной воды; 6 - паровой коллектор, 7 - испарительный барабан; 8 - выходная камера

На рис. 2 показан Г-330БИ. В этом котле основные испарительные поверхности выполнены из труб диаметром 50Ч3 мм и расположены в нижнем барабане. К торцам испарительного барабана на сварке крепятся входная и выходная газовые камеры. В верхнем барабане-сепараторе размещено сепарационное устройство, состоящее из дырчатых листов, расположенных в два ряда, и пароприемного потолка. Сепарационный и испарительный барабаны соединены между собой по пару и воде. Предвключенная испарительная

Рис. 2. Котел-утилизатор Г-330БИ:

1входная газовая камера; 2испарительный барабан; 3барабан сепаратора; 4сепарационное устройство; 5трубы основного испарителя; 6выходная камера;7предвключенная испарительная поверхность

поверхность выполнена из труб диаметром 38 мм и подключена к выносному сепарационномуциклону диаметром 377 мм.

К горизонтальным газотрубным двухбарабанным котлам относится и котел Г-420БПЭ, предназначенный для выработки перегретого пара за счет использования теплоты нитрозных газов в схеме получения слабой азотной кислоты (рис. 12). Поверхность нагрева (трубы диаметром 50 мм, толщиной стенки 3 мм) расположена в нижнем барабане, который по греющим газам является двухходовым. К испарительному барабану крепятся входная, поворотная и выходная газовые камеры.В верхнем барабане имеется паросепарационное устройство. Верхний и нижний барабаны соединены между собой по воде и пару. Пароперегреватель расположен в конусном переходе, по которому к котлу подводятся нитрозные газы.На наружной поверхности поворотной и входной газовых камер установлены змеевики, предназначенные для разогрева металла паром, во избежание конденсации из нитрозных газов азотной кислоты во время пуска и останова КУ. Экономайзер устанавливается отдельно.

Котлы-утилизаторы типов В-90Б, В-460Б, Н-89, Н-180, Н-433 предназначены для использования теплоты конвертированныхгазов и выработки насыщенного пара для технологических и бытовых нужд завода (см. табл. 5). Котлы В-90Б и В-460Б -- газотрубные, с естественной циркуляцией, вертикальные с вынесенным паросборником. Испарительная часть котла В-460Б (рис. 13) представляет собой барабан с плоскими отбортованными днищами и приваренными к ним испарительными трубками.

Рис. 12. Котел-утилизатор Г-420БПЭ:

1 газотрубная поверхность нагрева; 2нижний барабан; 3входная газовая камера; 4поворотная камера; 5выходная газовая камера; 6верхний барабан;

7пароперегреватель; 8змеевики для разогрева при пуске

Для улучшения естественной циркуляции барабан устанавливают под уклоном 10° относительно вертикальной оси. Для подвода и отвода газов предусмотрены газовые патрубки, приваренные к верхнему и нижнему днищам барабана. В сепарационном барабане размещено сепарационное устройство в виде дырчатых листов и отражателя. Питательная вода поступает в верхний барабан, а из него по трем опускным трубам -- в испарительный барабан. Пароводяная смесь по подъемным трубам направляется в сепарационный барабан.

Рис. 3. Котел-утилизатор В-460Б:

1 - нижнее днище; 2 - опоры; 3 - испарительный барабан; 4 - опускные трубы;5 - сепарационный барабан

Водотрубные котлы-утилизаторы

Наиболее распространенными водотрубными котлами являются котлы марки КУ, выпускаемые Белгородским заводом. Завод выпускает шесть типоразмеров: КУ-40, КУ-60, КУ-100, КУ-100Б1, КУ-125, КУ-150 [4]. Цифра обозначает максимальный расход продуктов сгорания в тысячах кубометров в час, приведенных к нормальным условиям. Максимальная допустимая длительная температура перед котлами 650 и 850 С. Выпускаются котлы на давление 4,5 или 1,8 МПа. Компоновка поверхностей П-образная (кроме башенного КУ-100Б1). Все поверхности змеевикового типа скомпонованы в секции.

На рис. 4 показан продольный разрез котла КУ-80-3. В подъемной шахте по ходу газов расположены первый испарительный пакет, пароперегреватель, второй испарительный пакет и вторая секция третьего испарительного пакета. В опускном газоходе расположены первая секция третьего испарительного пакета и две секции экономайзеров. Питательная вода после экономайзера поступает в барабан котла, откуда с помощью циркуляционных насосов через шламоуловитель подается в три параллельно включенных испарительных пакета. Пароводяная смесь из испарительных поверхностей нагрева поступает в барабан, а отсепарированный насыщенный пар направляется в пароперегреватель.

Путем деления испарительной системы котла с многократной принудительной циркуляцией (МПЦ) на две-три секции, включенные по воде параллельно, удается в 6-8 раз снизить необходимое давление и мощность циркуляционных насосов. Соотношение длины змеевиков каждой секции подбирается так, чтобы их гидравлическое сопротивление было примерно одинаковым. Движение газов и пара в КУ с расходами газов (60-120)·103м3/ч при давлении пара 4,5 МПа противоточное.

Рис. 4. Котел-утилизатор КУ-80-3:

1 - циркуляционный насос; 2 - испаритель I ступени; 3 - пароперегреватель; 4 шламоотделитель; 5 - испаритель II ступени; 6 - балки; 7 - барабан; 8 - обдувочные линии; 9 - испаритель III ступени; 10 - экономайзер

На всех котлах используется одноступенчатое испарение. Предусмотрена возможность совместной работы котла с испарительным охлаждением печи. В барабане котла размещено сепарационное устройство.

В пакетно-конвективных котлах (ПКК) используют физическую и химическую теплоту отбросных газов сажевого производства. Сажевые заводы относятся к числу предприятий, в которых образуется большое количество отбросных газов, содержащих незначительное количество горючих компонентов и существенное количество балласта (азота, диоксида углерода и водяных паров). Для устойчивого сжигания значительного объема этих сильно забалластированных газов потребовалась разработка специальных

Рис. 5. Котел ПКК - 75/24:

1 - горелка; 2 - форкамера; 3 - ширмы; 4 - камера охлаждения;

5 - пароперегреватель; 6 - воздухоподогреватель; 7 - экономайзер;

8 - выпускной газоход; 9 барабан газогорелочных устройств, обладающих высокой стабилизирующей способностью.

Белгородский завод энергетического машиностроения (БЗЭМ) выпускает серию унифицированных пакетно-конвективных котлов: ПКК-30/24-70-5, ПКК-30/45А, ПКК-75/24-150-5, ПКК-75/45-150-5, ПКК-100/24-200-5 и ПКК-100/45-200-5. Числитель дроби означает производительность котла в тоннах в час, знаменатель давление вырабатываемого пара(атмосферы). Котлы ПКК однобарабанные, конвективныес естественной циркуляцией, имеющие П-образную компоновку. На рис. 5показан продольный разрез котла ПКК-100/24-200-5. Паропроизводительность котла до 100 т/ч, давление пара 2,4 МПа, температура перегрева 370 єС.Отбросные газы вместе с газом, имеющим высокую теплоту сгорания (или мазутом), сжигают в трех неэкранированных горизонтальных предтопках, на фронте которых установлены специальные газогорелочные устройства. Из предтопков продукты сгорания поступают в подъемный газоход, в которомразмещена испарительная поверхность нагрева, выполненная в виде конвективного пучка. Секции конвективного пучка образованы трубами, имеющими волнистую изогнутую форму. Трубы каждой секции объединены индивидуальными входными и выходными коллекторами. Секции двух типов короткие и длинные, размещены на двух противоположных стенках газохода и подвешены к потолочному перекрытию котла на пароотводящих трубах. В пространстве, образованном изгибом испарительных секций расположен пароперегреватель.В опускном газоходе размещены воздухоподогреватель и экономайзер.

Котлы-утилизаторы за обжиговыми печами серного колчедана

При обжиге колчеданов получают два продукта: металл и диоксид серы. При содержанииSO2в продуктах сгорания более 7% становится рентабельным получение из газов серной кислоты. Поэтому достаточно часто сернокислотное производство входит в состав предприятий цветной металлургии.

Схема энерготехнологического агрегата (ЭТА) для низкотемпературного обжига колчедана в кипящем слое [5] показана на рис. 6. В кипящем слое обжигаемого материала установлены испарительные (либо пароперегревательные) поверхности нагрева, отнимающие избыточную теплоту и обеспечивающие бесшлаковочную работу слоя. Поверхности нагрева, находящиеся в кипящем слое,работают с высоким коэффициентом теплоотдачи ~230-350 Вт/(м2К). Эти поверхности объединены с котельной установкой, использующей теплоту отходящих газов. После энерготехнологической установки обжиговые газы поступают в технологические аппараты для дальнейшей переработки, а полученный пар используется для выработки электроэнергии и на технологические нужды. Котлы, устанавливаемые за обжиговыми печами кипящего слоя, имеют следующие особенности:

высокое содержание SO2в продуктах сгоранияприводит к необходимости работы при давлении пара не мене 4 МПа (температура кипения воды соответственно 250 °С), чтобы предотвратить сернокислотную коррозию поверхностей нагрева;

по этой же причине данные котлы не комплектуются экономайзерами;

технологические газы содержат фтор, мышьяк, цинк, свинец, высокое содержание SO2 приводит к сульфатизации отложений на поверхностях нагрева;

при пусках и остановах котлов возможна конденсация серной кислоты и усиленная сернокислотная коррозия.

Ранее для установки за обжиговыми печами серного колчедана применялись ширмовые КУ с принудительной циркуляцией пароводяной смеси: УККС-8/40-2, УККС-6/40. УККС-4/40. Однако из-за неполадок с котлом в связи с заносами поверхностей нагрева огарковой пылью и отсутствия эффективных средств очистки, а также неполадок с циркуляционными насосами эти КУ были сняты с производства и заменены водотрубными котлами с естественной циркуляцией типа КС-ВТКУ.



Рис. 6. Схема ЭТА для обжига колчедана в кипящем слое:

1 печь с кипящим слоем; 2испаритель, размещенный в кипящем слое; 3котел-утилизатор

Кроме рассмотренных паровых котлов в сернокислотном производстве, используют также выпускавшиеся ранее газотрубные котлы на отходящих газах с естественной циркуляцией ГТКУ (газотрубный КУ) типов: ГТКУ-6/40б.п., ГТКУ-10/40 (рис. 7) и ГТКУ-25/40. Это котлы барабанного типа с естественной циркуляцией. Испарительные поверхности - газотрубные секции, выполненные по типу труба в трубе диаметром 133Ч4 и 102Ч6 мм. Газы проходят по внутренней трубе меньшего диаметра, в межтрубном пространстве движется теплоноситель. Пароперегреватель расположен в кипящем слое. Данные котлы имели сравнительно высокую аварийность. Аварии были вызваны несовершенством удаления огарка, а также интенсивным золовым заносом испарительных поверхностей. Заносы были обусловлены повышением температуры газов перед котлом до 1000-1050 °С и размягчением уносимого огарка. Часть аварий связана с эрозионным износом охлаждающих элементов в кипящем слое.

Котлы типа КС-200 ВТКУ (рис. 8) и КС-450 ВТКУ устанавливают за печами обжига серного колчедана в кипящем слое производительностью по колчедану соответственно 200 и 450 т/сут. Котлы однобарабанные, водотрубные с естественной циркуляцией.Для создания условий, необходимых для проведения технологического процесса, часть испарительной поверхности и пароперегреватель установлены в кипящем слое; они обеспечивают снижение температуры слоя до 850-900 °С.

Котел, использующий теплоту отходящих газов, водотрубный, однобарабанный, с естественной циркуляцией. Основная испарительная поверхность нагрева котла выполнена в виде цельносварной радиационно-конвективной шахты с испарительными ширмами. Ширма выполнена из труб диаметром 38х5 мм, соединенных замкнутыми коллекторами. В шахте расположены 22 испарительные вертикальные ширмы. В верхней и нижней частях ширм трубы подсоединены к вертикальным коллекторам, которые в свою очередь присоединены к нижнему и верхнему замкнутым коллекторам. Коллекторы соединены опускными и подъемными трубами с барабаном котла. С барабаном соединены также испарительные поверхности нагрева, которые расположены в кипящем слое. Змеевики горизонтального пароперегревателя также расположены в кипящем слое. Регулирование температуры уходящих газов достигается перепуском части газов через байпасный газоход с шибером. Температура газов на входе в котел 850-900 °С, температура уходящих газов 420-450 °С. Паропроизводительность ЭТА 10 т/ч, давление перегретого пара 4 МПа, температура перегретого пара 440 °С.

Рис. 7. Котел-утилизатор ГТКУ-10/40:

1барабан; 2вход газов; 3труба в трубе;

4разделительная перегородка; 5выход газов

Рис. 8. Котел КС-200 ВТКУ:

1 к пароперегревателю, расположенному в кипящем слое;

2от пароперегревателя; 3испарительный блок; 4ударная очистка



При комбинированном получении технологической и энергетической продукции - обжигового газа и пара энергетических параметровпредпочтение отдается надежной работе основного технологического звена. Существенно улучшаются и энергетические показатели обжигового устройства: на каждую тонну обожженного колчедана дополнительно вырабатывается около 1,3 т пара. Огарок, полученный после обжига колчедана, используется для нужд цветной металлургии.

Тепловой баланс схемы обжига колчедана

Запишем тепловой баланс для случая, когда в кипящем слое размещены и испарительные и пароперегревательные поверхности.

Баланс обжиговой печи

(9)

где низшая теплота сгорания колчедана, кДж/кг; B - расход колчедана, кг/с; Iг энтальпия продуктов сгорания на выходе из обжиговой печи (на входе в котел утилизатор, кДж/кг; теплота, переданная в кипящем слое испарителю, кДж/кг; теплота, переданная в кипящем слое пароперегревателю, кДж/кг.

Насыщенный пар в количестве D1 вырабатывается в испарителе, размещенном в кипящем слое, в самом котле вырабатывается пар с расходом D2.В пароперегреватель пар поступает с расходом D=D1+D2.

Тепловой баланс пароперегревателя, размещенного в кипящем слое:

(10)

Тепловой баланс испарителя, размещенного в кипящем слое:

(11)

Тепловой баланс котла утилизатора:

(12)

где iпп - энтальпия перегретого пара, кДж/кг; i энтальпия насыщенного пара, кДж/кг; i энтальпия кипящей воды, кДж/кг; iпв- энтальпия питательной воды, кДж/кг; kпп и kикс - коэффициент теплопередачи к поверхностям пароперегревателя и испарителя, расположенных в кипящем слое (может быть принят в диапазоне 230-300 Вт/(м2К); k2 - коэффициент теплопередачи к испарительным поверхностям котла-утилизатора, Вт/(м2К); Fпп,Fикс и F2 - площади поверхности теплообмена пароперегревателя и испарителя, размещенных в кипящем слое, и площадь поверхности теплообмена испарителя котла-утилизатора, м2; Gг - расход газов, поступающий в котел-утилизатор, м3/с; сг- объемная теплоемкость газов, кДж/(м3К); tг и tух.- температура газов на входе и на выходе их котла.

Температурные напоры для поверхностей теплообмена, размещенных в кипящем слое, рассчитываются как

(13)



где tк.с- температура кипящего слоя; tпп - температура перегретого пара; ts- температура насыщения при давлении в барабане, С.

Энерготехнологические агрегаты в химической технологии используются в различных схемах сернокислотного производства. Технологической схемой получения серной кислоты из сероводорода предусматривается полное сжигание сероводорода до SО2 с последующей его переработкой в серную кислоту методом мокрого катализа. С этой целью SО2 окисляют с помощью катализатора в SО3, а затем SО3поглощается водным раствором кислоты.

Для улучшения показателей установки и получения пара повышенных параметров разработан ЭТА печь - паровой котел ПКС-10/40 (рис. 19), предназначенный для сжигания сероводорода и охлаждения продуктов сгорания. Он рассчитан на работу под наддувом. Котел двухбарабанный, с естественной циркуляцией и поворотом продуктов сгорания в горизонтальной плоскости.

Рис. 9. Котел ПКС-Ц-10/40:

1 - топка; 2 - испарительная радиационная камера; 3 - верхний барабан; 4 - нижний барабан; 5 - кипятильный пучок; 6 пароперегреватель

Сепарационное устройство размещено в верхнем барабане. Топочная камера экранирована трубами 38х3 мм, установленными на задней и на боковых стенах. На фронтовой неэкранированной стене размещены две газовые горелки для сжигания сероводорода. Топочная камера отделена от конвективного газохода газонепроницаемой перегородкой, выполненной из ошипованных труб, покрытых хромомагнезитовой массой ПХМ-6. В перегородке имеется окно для прохода продуктов сгорания в кипятильный пучок и пароперегреватель. Отходящие продукты сгорания с содержанием до 10 % SO2и температурой 500 С используются для дальнейшей переработки в серную кислоту.

Защита поверхности нагрева котла от низко- и высокотемпературной коррозии обеспечивается поддержанием температур металлических поверхностей в интервале 250-500 С Поддержание температуры стенки кипятильных труб на уровне 250 С осуществляется благодаря работе котла при давлении 3,92 МПа.

Питательная вода подается в барабан, где подогревается до температуры кипения. Экономайзер в данном котле отсутствует. Для обеспечения газоплотности котел имеет двухслойную металлическую обшивку. Основные технические данные: D = 9,6 т/ч, P = 3,92 МПа, Рпродукт = 0,11 МПа, tпп = 659 С, tтопки = 1600 С, tух.г = 500 С.

Серный энерготехнологический агрегат САТА-Ц-100-1 (рис. 20) применяется в технологическом процессе получения серной кислоты из элементарной серы или сероводорода. Агрегат рассчитан для работы под наддувом 0,1081 МПа в закрытом помещении. Котел однобарабанный водотрубный с естественной циркуляцией. Корпус цельносварной цилиндрический, вертикальный, с горизонтальным циклонным предтопком. Сера сжигается в циклонной топке, откуда газы поступают в радиационную камеру (трубы 38 мм). Пилообразные испарительные змеевики образуют окно, закрытое байпасной пробкой. Байпасирование осуществляется за счет перемещения пробки вверх. Пароперегреватель двухступенчатый, расположен в верхней части котла. Регулирование температуры перегретого пара осуществляется поверхностным пароохладителем, установленным в рассечку. Сепарационное устройство размещено в барабане. Между обшивками котла и циклона подается воздух, поступающий на горение. Производительность по сере 100 т/сут. Dп.п = 10 т/ч,tп.п = 365/400 С,Pп.п = 4 МПа,tух.г  500 С.

Рис. 20. Котел СЭТА-Ц-100-1М:

1 - циклон; 2 - блок испарительный; 3 - переход газовый; 4 - пароохладитель; 5 - пароперегреватель; 6 - барабан; 7 - байпасная пробка

Установки сухого тушения кокса (УСТК)

В тепловом балансе коксовой батареи количество теплоты, уносимой раскаленным коксом, достигает 45-50 % от количества теплоты, поступающей на обогрев печи.Для быстрого охлаждения кокса на предотвращения его угара ранее широко применялось мокрое тушение. При этом физическая теплота кокса теряется полностью, ухудшается качество кокса, так как возрастает выход мелких фракций из-за растрескивания. Применение вместо охлаждения кокса водой сухого тушения кокса инертными газами с использованием их для получения пара позволяет повысить экономические показатели коксового производства и достичь значительной экономки топлива.

Метод сухого тушения кокса известен давно. Первая установка сухого тушения кокса (УСТК) в нашей стране работала до 1941 г. на Керченском коксохимическом заводе. В 1960 г. на Череповецком металлургическом заводе была введена в эксплуатацию разработанная по проектам Гипрококса и Укрэнергочермета опытно-промышленная установка сухого тушения кокса бункерного типа.

Установка (рис. 9) состоит [6, 7] из тушильного бункера 1 вместимостью 270 м3, котла многократной принудительной циркуляции 3 КСТ-80 производительностью 25 т/ч пара на параметры Р = 4 МПа, tп.п = 400 єC и дымососа 4. Раскаленный кокс с температурой 1000 - 1100 С выдается из печи в коксоприемный вагон, транспортируется к скиповому подъемнику 2 и выгружается в скип. Подъемником кокс подается к загрузочному устройству тушильного бункера и через него в верхнюю часть бункера, которая выполняет роль аккумулятора горячего кокса. Емкость форкамеры обычно 3-5 печей, время пребывания в ней 40-60 мин. Она служит для выравнивания расхода кокса во времени, чтобы в зону собственно охлаждения поступал кокс с примерно постоянным расходом. Это позволяет отводить в котел газ-теплоноситель с постоянной температурой и получать пар постоянных параметров, что является одним из главных достоинств УСТК системы Гипрококса. Кокс разгружают через специальное разгрузочное устройство порциями по 20-30 кг.Через загруженный в бункер раскаленный кокс снизу вверх продуваются инертные газы, которые при этом нагреваются до 800 єС и поступают в котел, где охлаждаются до температуры 160 єС. После охлаждения газы при помощи дымососа нагнетаются в нижнюю часть бункера.

Для первоначального приготовления инертных газов достаточно заполнить тушильный бункер раскаленным коксом и включить в работу дымосос. Находящийся в газовом тракте установки воздух вызовет выгорание некоторой части кокса, и образовавшиеся при этом продукты сгорания будут выполнять в дальнейшем роль инертного теплоносителя. Для предотвращения выгорания кокса в процессе эксплуатации установки, образования взрывоопасной смеси при подсосе воздуха, а также просачивания в окружающую среду продуктов сгорания предусмотрены необходимые меры по ее герметизации, а также непосредственное соединение блоков: тушильный бункер-котел-дымосос. Установки сухого тушения кокса системы Гипрококса имеют производительность до 70-90 т/ч кокса и дают до 40 т пара в час с температурой 450 оС и давлением до 2,5-3,0 МПа.

Сухое тушение кокса имеет преимущества перед мокрым тушением, а именно:

обеспечивается более высокая твердость кокса и увеличивается на 10-15 % выход крупных фракций;

повышается теплота сгорания за счет снижениясодержаниявлаги до 1-2 % по сравнению с 5-10 % при мокром тушении;

экономится около 40 кг условного топлива на 1 т кокса за счет получения 400 кг пара энергетических параметров;

себестоимость 1 т пара, полученного на установке сухого тушения кокса, в 2,5 3 раза меньше себестоимости пара, вырабатываемого обычными котельными коксохимических заводов, а установка окупается примерно за 2,5 года.

Рис. 9. Установка сухого тушения кокса:

1 - тушильный бункер; 2 - скиповый подъемник; 3 - котел КСТ-80; 4 - дымосос

Сухое тушение кокса при всех его неоспоримых достоинствах имеет существенный недостаток, выражающийся в том, что при использовании этого метода охлаждения выход кокса снижается. Это явление получило название «угара» кокса, который может составлять от 0,5 до 1,6 % на плохо работающих установках [6]. Угар кокса происходит по следующим причинам. В камере тушения может происходить реакция СО2+С=2СО-Q.Кроме того, часть кокса выгорает при соприкосновении с кислородом воздуха, который может увлекаться в камеру тушения при загрузках, поступать в систему через неплотности. При реакции кокса с водяными парами, которые могут попадать в систему с воздухом и при неплотностях труб котла-утилизатора, образуется оксид углерода и водород: Н2О+С=СО+Н2.

При полной герметичности газового тракта УСТК и подпитке ее воздухом или техническим азотом содержание СО в циркуляционном газе определяется условиями химического равновесия системы С-СО-СО2. В составе газа обычно содержится О2в пределах до 1 %, но при длительных простоях может возрасти до 5 %. Это, естественно, увеличивает «угар» кокса. В циркулирующем газе постепенно накапливаются горючие компоненты, что может привести к «хлопкам» (взрывам) в газовом тракте. При нормальной работе УСТК содержание горючих компонентов должно быть в пределах следующих величин: 8-12 % СО; 3-5 % Н2; 0,51,0 % СН4. Предельно допустимое количество водорода - 8 %. При превышении этого уровня агрегат должен быть остановлен для выяснения причин. Для уменьшения количества горючих компонентов УСТК оборудованы устройствами для подачи воздуха в тракт после камеры тушения, в результате чего горючие компоненты выгорают или в цикл циркуляции добавляется азот. Излишек циркулирующего охлаждающего газа сбрасывается в атмосферу.

Тепловой баланс

Тепловой баланс камеры тушения кокса имеет следующий вид:

(14)

Теплота, отданная охлаждаемым коксом:

(15)

где Gк - расход охлаждаемого кокса, кг/с; с1 и с2 - теплоемкость кокса при температуре загрузки и выдачи, кДж/(кгК); t1 и t2 - температура кокса при загрузке и выдаче,C.

Камера тушения кокса в нижней части находится под избыточным давлением, создаваемым дымососом рециркуляции газов, а в верхней части под разряжением. За счет этого часть газов рециркуляции покидает камеру тушения и взамен их из атмосферы к газам подмешивается воздух, который окисляет раскаленный кокс. Это приводит к дополнительному тепловыделению в камере тушения кокса. Выделившуюся при окислении кокса теплоту называют теплотой угара кокса и рассчитывают по выражению:

(16)

где к - доля кокса окисленного при тушении, по практическим данным принимается 0,5-1,6 %; - теплота сгорания кокса, кДж/кг.

Теплоотвод с утечкой газов, циркулирующих в системе:

(17)

где -- средняя теплоемкость циркулирующих газов, теряемых в атмосферу, кДж/(м3К); г - средняя по высоте камеры тушения газов температура циркулирующих газов, С; св - теплоемкость воздуха, поступающего в камеру тушения кДж/(м3К); tв - температура воздуха, C; V0 - теоретически необходимое количество воздуха для окисления одного килограмма кокса, м3/кг.

Теплота, переданная в камере тушения циркулирующим газам:

(18)

где Gг -- искомый объем газов, циркулирующих в системе, м3/с;c'иc'' - теплоемкости газов на входе и выходе из камеры тушения, кДж/(м3К); t' и t'' - соответствующие температуры газов на входе и выходе из камеры тушения, С.

Теплопотери поверхностью камеры тушения:

(19)

где л и к - коэффициенты теплоотдачи излучением и конвекцией в атмосферу. Для практических расчетов можно принять л + к = 23 Вт/(м2К); tп - температура поверхности камеры (средняя), C; Fп - наружная поверхность камеры, м2.

Из решения уравнения теплового баланса (14) определяют объем газов, циркулирующих в системе:

(20)

Среднее время пребывания кокса в камере тушения определяется из очевидного соотношения

(21)

где Vк - объем камеры тушения, м3; к - плотность кокса, кг/м3; порозность.

Теплота, отданная коксом в камере тушения, может быть рассчитана из уравнения теплопередачи как

,(22)

где k- коэффициент теплопередачи, Вт/(м2К); Fк - площадь поверхности теплообмена частиц кокса, м2; t - температурный напор в камере тушения, єС. Приравнивая значения теплоты, отданной коксом по формулам (15) и (22), и подставляя в (21) выражение для расхода кокса, получим в окончательном виде формулу для расчета времени пребывания коса в тушильной камере

.(23)

Удельная поверхность реагирования частиц кокса Sк =Fк/Vкможет быть рассчитана при известном среднем размере д коксовых частиц по выражению

(24)

Коэффициент теплопередачи рассчитывается по выражению

, (25)

где второй член в знаменателе учитывает неравномерность температур по радиусу коксовых частиц; - средний коэффициент теплопроводности куска кокса, Вт/(мК); F - суммарный коэффициент теплопередачи от кокса к газу, Вт/(м2К). Этот коэффициент равен

F= л + к,(26)

где л - коэффициент теплоотдачи излучением от кокса к газу, можно принять равным 2,3 Вт/(м2К); к - коэффициент теплопередачи конвекцией от кокса к газу, Вт/(м2К);

(27)

где w - скорость газов на свободное сечение камеры, м/c; - диаметр межкускового пространства, м2, примерно равный радиусу частиц кокса.

Объем рабочей части камеры тушения (без учета форкамеры) составит

,(28)

где - расчетная (по 23) продолжительность тушения кокса, о экспериментальный коэффициент, равный 1,7 и учитывающий неравномерность схода кокса и распределения дутья по сечению.

Сечение камеры тушения рассчитывается по формуле

(29)

утилизация отходы котел обжиг

где wн.у - скорость газа, приведенного к нормальным условиям; в расчете на свободное сечение камеры допускается в пределах 0,5 0,9 м/с.



Высота рабочей части камеры

. (30)

Котлы-утилизаторы в установках сухого тушения кокса

Для первых УСТК был разработан башенный котел КСТ-80 (см. рис. 10). Впоследствии был разработан котел КСТК-25/39С-1 (рис. 11). Котел барабанный, с принудительной циркуляцией, выполнен по V-образной схеме, подвод и отвод газов верхний. В опускном газоходе расположены пароперегреватель и испарительные секции, в подъемном - экономайзер. По ходу газов последовательно расположены: пароперегреватель 3, испарительная поверхность 2 и экономайзер 6. Пароперегреватель конвективный, змеевиковый, выполнен из труб диаметрами 323 мм и состоит из двух частей: первая по ходу пара - прямоточная, вторая - противоточная. Температуру перегрева пара регулируют газовым регулятором. Испарительные поверхности и экономайзер расположены горизонтально и выполнены из труб 283 мм (сталь 20). Паропроизводительность установки 25 т/ч, температура перегретого пара 440 єС, давление 4 МПа. Температура газов на входе в котел 800 єС, на выходе из котла 160 єС.

В настоящее время разработана новая конструкция КУ для охлаждения газов, поступающих в него из камеры сухого тушения. Новый КУ КСТК-35/40-100 башенной компоновки с верхним подводом газа (рис. 11). Стены газохода состоят из газоплотных панелей, выполненных из труб диаметром 57 мм с толщиной стенки 5 мм и шагом 100 мм и включенных в контур естественной циркуляции. Внутри газохода расположены конвективные змеевиковые поверхности нагрева, включенные в контур многократной принудительной циркуляции (МПЦ). Конвективные поверхности нагрева выполнены из труб диаметром 28 мм с толщиной стенки 3мм(сталь 20).

Рис. 11. Паровой котел КСТК-25/39С-1:

1 - переходный газоход; 2 - испарительные поверхности; 3 - пароперегреватель; 4 - барабан; 5 - сепарационное устройство; 6 - экономайзер

Рис. 12. Котел-утилизатор КСТК-35/40-100

Для регулирования температуры пара в котле предусмотрен пароохладитель, работающий на котловой воде и установленный «в рассечку» между ступенями. Пароперегреватель устанавливается в зоне высоких температур. Он имеет две ступени, расположенные параллельно по ходу газов: I (входная) ступень выполнена из труб диаметром28 мм с толщинойстенки 3 мм (сталь 20); II (выходная) - из труб диаметром28 мм с толщиной стенки3,5мм(сталь12Х1МФ). Пар из I ступени направляется в пароохладитель, а после него во II ступень. Испарительная поверхность расположена за пароперегревателем. Она состоит из шести блоков, попарно расположенных в трех ярусах. За испарительной поверхностью располагается водяной экономайзер. Движение воды - восходящее, противоточное.Пакеты пароперегревателя, испарительной поверхности, водяного экономайзера в газоходе крепятся к опорным охлаждаемым балкам, которые включены в контур циркуляциимногократной принудительной циркуляции.

Техническая характеристика: паропроизводительность - 32,4 т/ч; давление перегретого пара - 4 МПа; температура перегретого пара - 440С; температура газов: на входе в котел - 800С, на выходе из котла - 170С; расход газов через котел - 100000 м3/ ч.

Котлы-утилизаторы сталеплавильных конвертеров

При кислородно-конвертерном процессе продувка чугуна проводится через водоохлаждаемую фурму техническим кислородом (98-99,5 %). Конвертерные газы состоят в основном из оксида углерода (СО = 90-95 %) имеют высокую температуру (более 1700 С) и содержат значительное количество уноса (до 150 г/м3). Выход конвертерных газов цикличный, отличается большой неравномерностью. Продувка конвертера продолжается около 20 мин, длительность межпродувочного периода до 40 мин. Среднечасовой выход газа для конвертера 300 т составляет 1810 м3/ч, а максимальный расход 15010 м3/ч. Выброс СО в таких количествах невозможен, поэтому их дожигание и охлаждение является технологической необходимостью. От конвертеров емкостью не более 150 т металла конвертерные газы направляются в радиационно-конвективный газоотводящий тракт охладителя, в полости которого происходят дожигание окиси углерода и использование тепловой энергии продуктов сгорания[5].

Исследование процесса сжигания конвертерных газов в полости охладителя позволило установить, что за время продувки конвертера кислородом содержание оксида углерода в газах, покидающих конвертер, сначала возрастает, достигает максимума и затем падает.

Котел ОКГ-100-ЗА -- однобарабанный, вертикально-водотрубный, с многократной принудительной циркуляцией, имеет П-образную компоновку.

Подъемный газоход (камин) состоит (рис. 13) из наклонной и вертикальной части.Между конвертером3 и камином котла поддерживается разрежение 30-40 Па, обеспечивающее отсос всех газов из конвертераи подсос из атмосферы воздуха, необходимого для их сжигания. В период продувки конвертера пар вырабатывается в охладителе за счет теплоты, выделяющейся отсжигания конвертерных газов, а в межпродувочный период в котле сжигается смесь коксового и доменного газов, т. е. охладитель работает как энергетический котел. В период продувок через нижнее сечение камина подсасывается50--90тыс. м3 воздуха.Процесс перемешивания подсосанного воздуха с газами интенсифицируется острым дутьем от специальной воздуходувки. Расход воздуха через сопла острого дутья составляет 1416 тыс. м3/ч. Струи воздуха пронизывают поток конвертерных газов. Чем равномернее распределены струи по сечению камеры, тем интенсивнее протекает процесс перемешивания газа с воздухом.

Рис. 13. Агрегат для сжиганий конвертерных газов использования теплоты их сгорания:

1, 2 - наклонная и вертикальная части экранированного подъемного газохода; 3 - горловина конвертера; 4 - конвективный испаритель; 5 - экономайзеры; 6 - бункер; 7 - горловина; 8 - трубы Вентури; 9 - дымосос; 10 - труба; 11 - горелка для сжигания доменного газа; 12 - сопла острого дутья

В верхней части подъемный газоход соединяется с горизонтальным газоходом 4, который переходит в опускной газоход 5. Нижняя часть опускного газохода представляет собой бункер 6 с горловиной7, через которую продукты сгорания поступают в двухходовое устройство8, состоящее из большого числа труб Вентури с индивидуальными форсунками и служащее для мокрой очистки.

Подъемный и горизонтальный газоходы полностью экранированы трубами диаметром 38 мм с шагом 42 мм. В опускном газоходе размещены конвективные испарительные поверхности нагрева и водяной экономайзер. На одной из боковых стен топки установлены две горелки для сжигания коксодоменного газа производительностью 10 тыс. м3/ч каждая.В результате проведенных тепловых испытаний установлено следующее:

котлы ОКГ-100-ЗА обеспечивают надежное использование тепловой энергии, выделяющейся при сжигании конвертерных газов, поступающих от 100-тонного конвертера;

максимальный выход конвертерных газовиз горловины конвертера составляет 33--40 тыс. м3/ч;

максимальная производительность котлов в период кислородной продувки конвертера (расход кислорода около 8 тыс. м3/ч) составляет 180--200 т/ч. Производительность охладителя при работе на коксодоменном газе равна 4045 т/ч (расход газа 1820 тыс. м3/ч).

В течение всех плавок обеспечивается полное сгорание, конвертерных газов. Максимальное содержание оксида углерода в горизонтальном (переходном) газоходе обычно не превышает 0,2--0,5 % . Коэффициент полезного действия брутто котлов ОКГ-100-ЗА при сжигании конвертерных газов достигает 87--89 %.

Рис. 14. Схема ОКГ-300 с аккумуляторомциркуляционного типа и газгольдером [5]:

1 циркуляционные насосы; 2 -паровой аккумулятор; 3 -- газоплотная юбка; 4 -- горелки; 5 -- подъемный газоход; 6 -- барабан-сепаратор; 7 -- конвективный испаритель; 8 -- экономайзер; 9 -- труба Вентури; 10 -- газоочистка; 11 -- газгольдер: 12 дымовая труба; 13, 14 -- дымососы; 15 смеситель; 16 -- конвертер

Для конвертеров большой производительности используются котлы без дожигания конвертерных газов. В период продувки в ОКГ используется физическая теплота и примерно 10 % химической теплоты конвертерного газа при  = 0,1. Такой коэффициент расхода воздуха принимается из-за трудностей полной герметизации газоотводящего тракта. После охлаждения и очистки весь газ направляется в газгольдер 11(рис. 14).

Из общего количества выработанного пара в период продувкичасть его передается потребителю, а другая часть аккумулируется в паровом аккумуляторе высокого давления.

В межпродувочный период, когда нет газовыделения, на выработку пара расходуется химическая и физическая теплота газгольдерного газа, кроме того, выделяется пар, аккумулированный в «горячей» воде. Количество аккумулируемой теплоты в аккумуляторе определяется из условия обеспечения стабильной паропроизводительности котла-охладителя в продолжение всего цикла конвертерной плавки стали.

Экраны, образующие поверхности нагрева, выполнены цельносварными, мембранными. Нижняя часть подъемного газохода котла (кессон) расположена над горловиной конвертера. В связи с работой ОКГ-300 по схеме без дожигания оксида углерода зазор между горловиной конвертера и кессоном уплотняют с помощью подвижной уплотнительной муфты («юбки»), что дает возможность поддерживать минимальный коэффициент избытка воздуха (0,05-0,11). Над кессоном установлен стационарный газоход ОКГ, состоящий из подъемной, переходной и опускной частей. Во время кислородной продувки газы из горловины конвертера с температурой 1600-1700 °С поступают в котел, где используется физическая и часть химической (соответствующей возможному присосу воздуха) теплоты для выработки насыщенного пара. Для снижения температуры уходящих продуктов сгорания на выходе из ОКГ до 300--380 °С, допускающей нормальную работу газоочистительной установки, в опускной газоход впрыскивают воду.

Котел оборудован системой автоматического питания на протяжении всей плавки; предусмотрена возможность перевода основных поверхностей нагрева на естественную циркуляцию. Такие охладители конвертерных газов имеют незначительное аэродинамическое сопротивление, высокую герметичность и надежность в эксплуатации и не накладывают ограничений на работу основного металлургического оборудования.

При работе ОКГ в переменных режимах на самих котлах выработка перегретого пара практически невозможна, поэтому для перегрева пара используют центральный пароперегреватель (рис. 15).

На фронтовой стене камеры установлена туннельная смесительная горелка доменного газа 1. В задней части камеры потолочные экранные трубы разведены в фестон 3 для прохода газов в газоход конвективной части пароперегревателя.

Пар от КУ поступает в радиационную часть пароперегревателя, затем по перепускным трубам подводится к верхнему пакету его конвективной части. Последняя выполнена по противоточной схеме с горизонтально расположенными змеевиками. Конвективная часть пароперегревателя состоит из двух блоков: первый по ходу пара выполнен из труб диаметром 323 мм, второй из труб диаметром 324 мм. Радиационная часть пароперегревателя выполнена из труб диаметром 323 мм.

Подогреватель доменного газа трубчатый, горизонтальный, расположен между двумя ступенями воздухоподогревателя. Доменный газ проходит внутри труб и делает два хода. Подогретый доменный газ подается к горелке центрального пароперегревателя. Воздухоподогреватель состоит из одноходового трубчатого куба в нижней части опускного газохода и двухходового куба в верхней части газохода. Трубы воздухоподогревателя расположены вертикально. Внутри труб проходят топочные газы. Подогретый воздух используется для сжигания доменного газа в смесительной горелке топки центрального пароперегревателя. Воздухоподогреватель и подогреватель доменного газа выполнены из труб диаметром 453 мм.

Центральный пароперегреватель рассчитан на паропроизводительность 40 т/ч. Давление пара на выходе из пароперегревателя ЦП-6О-С-45 составляет 4,5 МПа, а пароперегревателя ЦП-60-С-19 ~ 1,9 МПа. Температура пара на выходе из пароперегревателей равна соответственно 445 и 380 °С. Температура уходящих газов соответственно составляет 240 и 205 °С.

Рис. 15. Центральный пароперегреватель:

1 - горелка доменного газа; 2 - радиационный пароперегреватель; 3 - фестон; 4 - конвективный пароперегреватель; 5 - взрывные клапаны; 6, 8 - две ступени воздухоподогревателя; 7 - подогреватель доменного газа

Размещено на Allbest.ru

...