Котлы-утилизаторы — принцип работы, установка


Эффективность использования теплоты отходящих газов в котлах-утилизаторах зависит от температуры отходящих газов, тепловой мощности и режима поступления газов в теплоиспользующую установкуЭффективность использования теплоты отходящих газов в котлах-утилизаторах зависит от температуры отходящих газов, тепловой мощности и режима поступления газов в теплоиспользующую установкуКотел-утилизатор используют для того, чтобы избавиться от отходов, при этом используя энергию, которая могла бы быть просто потрачена без толку. Обычно промышленные предприятия избавляются от газов, просто выбрасывая их в атмосферу. При этом газы могут иметь такую высокую температуру, которая позволяет использовать их энергию для работы котла-утилизатора. Котлы способствуют эффективному использованию топлива, и при этом выполняют свою функцию. Особенность котла-утилизатора в том, что он работает на тепле, которое вырабатывается от других технологических процессов.

Классификация котлов-утилизаторов


Для того чтобы котел-утилизатор работал эффективно, ему необходимо тепло, которое можно получить в ходе сжигания газов, образующихся от разных технологических процессов. Котел не предназначен для того, чтобы работать, используя собственную топочную камеру. Важно следить за составом используемых газов.

Если в состав газов, предназначенных для сжигания, входят физические и химические элементы, то последние нужно сжигать.

Характерной чертой работы промышленных систем утилизации является использование газов, в которых содержаться разнообразные мелкие частицы. Частицы могут находиться как в жидком, твердом, так и в газообразном состоянии. Появлением частиц сопряжено с работой установок, используемых на производстве. Это могут быть металлические частицы, шихт, шлак или окалин.

Что влияет на классификацию котла утилизации:

  • Температура газа. Оборудование может быть низкотемпературным и высокотемпературным. При низкой температуры тепловая энергия подается путем посредством конвенции. Высокие показатели говорят об излучении. Если температура превышает 1100 градусов, то стоит ожидать сгорания жидких продуктов и их перехода в агрегатное состояние.
  • Пар. Оборудование может работать при низком, повышенном и высоком давлении.
  • Передвижение жидкости. Жидкости, пар и продукты сгорания движутся по котлу, который может быть газотрубным или водотрубным.
  • Способ передвижения жидкости. То, как жидкость движется в контуре испарения, влияет на естественную и принудительную циркуляцию в котле.

На классификацию котлов влияет комплектация и качество нагревательных поверхностей. Оборудование может быть башенным, горизонтальным и туннельным. Если устройства работают на низких температурах, то их поверхность называется змеевиковой конвективной нагревательной поверхностью.

Котел-утилизатор: это что

Принцип работы котла-утилизатора заключается в использовании энергии тепла, выделению которой способствуют промышленные технологические процессы. Когда в состав газов, на которых работает котел, входят химические составляющие, то их сжигают. Котел утилизации – это прибор, который способствует генерации энергии в виде горячей воды, нагретого пара или потока воздуха.

Среди всего промышленного котельного оборудования котлы утилизаторы газов выделены в отдельную категорию относительно своей конструкцииСреди всего промышленного котельного оборудования котлы утилизаторы газов выделены в отдельную категорию относительно своей конструкции

Специфичность работы оборудования заключается в том, что газы содержат мелкие частицы, пребывающие в разнообразных физических состояниях.


Работа печей происходит при очень высоких температурах, что приводит к тому, что в процессе плавления металла в отходящих газах образуются мелкие элементы. Использование теплоты газов позволяет повысить коэффициент использования энергии топлива. На эффективность работы котла влияет мощность тепла.

По каким признакам разделяют котлы:

  • Температура;
  • Параметры пара;
  • Движение пара;
  • Способ движения воды;
  • Компоновка;
  • Поверхность нагрева.

Различные установки и оборудование выделяют тепло, которое котел-утилизатор успешно использует для своей работы. Такие котлы считаются очень производительными и экономичными. Его особенность заключается в отсутствии устройства топки.

Варианты котлов-утилизаторов отходящих газов

Газотрубные котлы-утилизаторы широко используются в промышленности. Для работы котлов используется тепловая энергия дымовых газов. Такое устройство не подключают к топливопроводу или другим сетям, подающим энергоноситель. Чтобы энергия использовалась эффективно, необходимо устанавливать котел там, где находится выходной отрезок.

Котлы утилизаторы используют для образования энергии тепло отходящих дымовых газов, которые являются побочным продуктом производстваКотлы утилизаторы используют для образования энергии тепло отходящих дымовых газов, которые являются побочным продуктом производства


Если сравнивать со стандартными котлами, можно сказать, что котлы, утилизирующие отходящие газы, имеют больший КПД, что снижает уровень вредных выбросов в атмосферу.

Котлы можно приобрести у отечественных и зарубежных производителей. Теплоноситель нагревается за счет того, что газы движутся вдоль труб. Такой тип оборудования используют для того, чтобы производить пар, характеризующийся низким и средним давлением.

Варианты котлов:

  • Имеет естественную или принудительную циркуляцию.
  • В состав входит один или несколько барабанов.
  • Модели котлов могут быть газотрубными или водотрубными.

Схема кота выглядит следующим образом: стальной корпус, пучок жаропрочных трубок, нагревательные и испарительные поверхности, штуцеры, подающие питательную воду, система, предназначенная для отвода ненужных газов. Утилизационные котлы могут быть вертикальными и горизонтальными. Выбор модели зависит от того, где будет расположено оборудование. Эффективен пиролизный котел-утилизатор, который работает на резине.

Назначение и область применения:


Котел-утилизатор (КУ) – паровой или водогрейный котел, не имеющий собственного топочного устройства для сжигания топлива и использующий теплоту отходящих газов технологических промышленных агрегатов различного назначения.
Теплота, генерируемая котлом-утилизатором в виде водяного пара, нагретой воды или нагретого воздушного потока, используется в других технологических процессах либо в когенерационных установках для производства электроэнергии.

Исключение составляют случаи работы котлов-утилизаторов на отходящих газах, содержащих, кроме физической, так же  химическую теплоту в виде горючих составляющих, которые целесообразно дожечь.
Такое оборудование активно применяется на предприятиях по переработке нефти, где в ходе производственных процессов образуется угарный газ. Этот газ, сжигаемый в топке котла, участвует в производственном процессе — приводит в действие турбины. При этом выбросы в атмосферу становятся минимальными.

Области применения котлов-утилизаторов классифицируются по следующим признакам:

  • отраслям промышленности, в которых используются вторичные энергоресурсы: котлы для ТЭС, черной и цветной металлургии, химической промышленности; сернокислотного и азотного производств, целлюлозно­бумажной, строительной, нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности;
  • технологическим агрегатам, за которыми или в которых устанавливаются теплоиспользующие котлы: за газовыми турбинами, мартеновскими печами, конвертерами, обжиговыми с кипящим слоем, фьюминговыми, нагревательными, шлаковозгоночными, прокалочными, шахтными, отражательными печами, за печами кислородно­взвешенной плавки, сухого тушения кокса и др.;

Паровые котлы-утилизаторы на ТЭС предназначены для повышения КПД цикла газотурбинной энергоустановки путем утилизации выхлопных газов с получением перегретого пара и с возможностью дальнейшего его использования. Полученный перегретый пар используется для выработки электроэнергии, для технологических нужд, а также для улучшения экологических параметров энергоустановки за счет снижения температуры выхлопных газов и уровня шума.

Водогрейные котлы-утилизаторы находят применение в разных отраслях промышленности, в частности, они устанавливаются на металлургических производствах, в нефтехимии и так далее. Данное котельное оборудование может входить в состав когенерационных установок, использование которых наиболее эффективно с точки зрения окупаемости на предприятиях с большими потребностями в горячей воде и паре.

Условное обозначение и модификации:

Условное обозначение типоразмера водотрубного парового котла — утилизатора (далее — КУ) парогазовых установок должно состоять из разделенных тире и последовательно расположенных обозначений и индексов в указанной ниже последовательности:

— тип движения среды в пароводяном тракте котла;
— индекс наличия дожигающего устройства;
— номинальная паропроизводительность контура, т/ч;
— абсолютное давление пара (в контуре), МПа;
— температура пара (в контуре), °С;
— индекс наличия независимого контура подогрева воды в газо-водяном подогревателе или в водо-водяном теплообменнике (допускается указывать при необходимости).


Типы движения среды или тип КУ определяются схемами движения рабочих сред в контурах, которые подразделяются на нижеследующие:

Пр — с принудительной циркуляцией;
Прп — с принудительной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;

Е — с естественной циркуляцией;
Еп — с естественной циркуляцией и промежуточным перегревом пара;
П — прямоточные;
Пп — прямоточные с промежуточным перегревом пара.

В КУ с несколькими контурами движения пароводяной среды каждый контур может обозначаться своей буквой (Пр, П, Е), соответствующей типу движения пароводяной среды в контуре КУ. Если в КУ применены контуры одинакового типа движения пароводяной среды, то используется объединенное однобуквенное обозначение. Если второй и последующий контуры будут одного типа, то буквенное обозначение может быть показано одной буквой для второго и последующих контуров.
Кроме того, для КУ с дожиганием топлива в газовом тракте после вышеуказанных буквенных обозначений обязательным является добавление индекса «д» (КУ с дожиганием топлива в газовом тракте котла-утилизатора).

Индексы, указывающие на наличие в котле-утилизаторе независимых контуров подогрева воды, не используемой в других контурах КУ и подаваемой непосредственно сторонним потребителям, обозначаются  «гв» и «вв» :


гв — с независимым контуром подогрева воды в газо-водяном подогревателе, не используемой в других контурах КУ и подаваемой непосредственно сторонним потребителям;

вв — с водо-водяным теплообменником для подогрева воды, не используемой в других контурах КУ и подаваемой непосредственно сторонним потребителям.

При обозначении независимого контура подогрева воды в газо-водяном подогревателе или водо-водяного теплообменника указывается его максимальная мощность.

Пример условного обозначения:

ППрЕд-330/380/82-14,5/3,1/0,59-580/580/306-5,3вв

Паровой котел-утилизатор трехконтурный с дожиганием и с промперегревом пара. Контур высокого давления с прямоточным движением среды номинальной паропроизводительностью 330 т/ч, контур среднего давления с принудительной циркуляцией номинальной паропроизводительностью 380 т/ч, контур низкого давления с естественной циркуляцией номинальной паропроизводительностью 82 т/ч, с абсолютным давлением пара в контуре высокого давления 14,5 МПа, среднего давления 3,1 МПа, низкого давления 0,59 МПа, с температурой пара в контуре высокого давления 580 °С, среднего давления 580 °С, низкого давления 306 °С, с водо-водяным теплообменником независимого контура подогрева воды максимальной тепловой мощностью 5,3 МВт.


Условные обозначения и аббревиатуры, применяемые при обозначении котлов- утилизаторов в других отраслях промышленности:

Пример расшифровки условного обозначения котла-утилизатора:

КУ-100Б-1Б

— тип котла -КУ (котлы-утилизаторы);
— 100 — расход газов — 103 нм3/час;
— тип модификации-1;
—  компоновка — Б — башенный.

Котлы типа ОКГ:

— ОКГ — охладитель конверторных газов;
— число, стоящее за буквенной аббревиатурой, показывает емкость конвертора, т;
— 1,2 — тип модификации;
— БД — без дожига;
— У — унифицированный.

Для остальных котлов:
-ЦП – центральный перегреватель;
-РКК – радиационно-конвективный котел;
-РКФ – радиационно-конвективный котел, фьюминговая печь;
-РКЭП – радиационный котел для установки за электропечами;
-КСТК – котел сухого тушения кокса;
-ПКК – пакетно-конвективный котел;
-РКЖ – радиационно-конвективный, жидкой ванны;
-РКГЖ – радиационно-конвективный губчатого железа;
-К – конвективный;
-КВ – конвективный водогрейный;
-КГТ – котел за газовой турбиной;
-КУВ – котел утилизатор водогрейный;

Номенклатура:

Котлы-­утилизаторы классифицируются по:

  • По температуре газа, подающегося в агрегат.
    По этому параметру оборудование подразделяется на: низкотемпературное (менее 900 градусов) и высокотемпературное (свыше 1000 градусов).
    В условиях низких температур передача тепловой энергии осуществляется благодаря конвекции, а при высоких показателях радиацией  — в процессе излучения.
    При температурах, превышающих 1100 градусов, жидкие продукты сгорания меняют свое агрегатное состояние.

  • По паровым характеристикам котел утилизатор может относиться к 3 классам: оборудования с низким давлением (1,5 МПа и 300 градусов),
    с повышенным давлением (4,5 МПа и 450 градусов), и
    с высоким (от 10 до 14 МПа и 550 градусов).
  • По принципу передвижения жидкости, пара и продуктов сгорания утилизационные котлы разделяются на два типа: газотрубные и водотрубные.
  • По способу передвижения жидкости в испарительном контуре утилизирующее оборудование дифференцируется на котлы с естественной и принудительной циркуляцией.
  • По комплектации и нагревательным поверхностям оборудование подразделяется на такие типы: башенный, горизонтальный и туннельный. В низкотемпературных устройствах применяется змеевиковая конвективная нагревательная поверхность. В высокотемпературных модификациях — конвективно-радиационная поверхность.

Более подробно с номенклатурой котлов-утилизаторов,  выпускаемых нашим предприятием, вы можете ознакомиться в каталоге.

Устройство и принцип действия:

В парогазовых агрегатах применяются котлы, в которых пар имеет среднее или высокое давление. После получения пара он задействуется в паровой турбине. Помимо пара, в парогазовой установке в качестве энергетического источника используется энергия выходящих газов.

Конструкция парогазового оборудования предусматривает водотрубные котлы с конвективными нагревательными поверхностями и многоразовой циркуляцией принудительного типа. Конструктивные данные отопительного агрегата зависят от показателя мощности паровой турбины. Разные модели имеют от одного контура до нескольких независимых контуров с разными показателями парового давления.

Конструкция трехконтурного котла утилизатора включает в себя:

барабан с сепарационными устройствами высокого давления, барабан с сепарационными устройствами среднего давления, барабан с сепарационными устройствами низкого давления, пароперегреватели высокого среднего и низкого давлений, пароперегреватель вторичный, испарители высокого среднего и низкого давлений, экономайзеры высокого и среднего давлений, газовый подогреватель конденсата, каркас, площадки обслуживания, изоляция и обшивка.

Все поверхности нагрева выполнены из труб со спиральным оребрением, дренируемы. Котел снабжен необходимой арматурой, гарнитурой и КИП.

Котлы-утилизаторы - принцип работы, установка

Рис.1. Котел-утилизатор КГТ-258/310/35-15.0/3.14/0.44-540/535/263

Унифицированные энерготехнологические котлы-утилизаторы типа ПКК, предназначенные для сжигания отходящих газов сажевого производства и получения пара, устанавливают за высокотемпературными нагревательными печами.

Котлы типа ПКК — однобарабанные, конвективные, с естественной циркуляцией, выполнены в П-образной компоновке.

Отбросные газы вместе с высококалорийным топливом сжигаются в неэкранированном предтопке. Из предтопка продукты сгорания поступают в подъемный газоход, где расположены секции конвективного пучка — ширмы, образованные из труб, которые объединены индивидуальными входными и выходными коллекторами. Секции ширм подвешены к потолочному перекрытию котла на пароотводящих трубах , которые соединены с барабаном 8. Барабан установлен на металлическом каркасе сварной конструкции.

В пространстве, образованном изгибом секций ширм конвективного пучка, находится пароперегреватель, состоящий в зависимости от производительности котла из одного (котел ПКК-30) или нескольких пакетов (четыре для котла ПКК-100).

В опускном газоходе по ходу газов расположены вертикальный трубчатый воздухоподогреватель и водяной стальной экономайзер. Экономайзер состоит из трех пакетов. Поверхности нагрева, расположенные в подъемном газоходе, очищаются с помощью обдувочных приборов типа ОТ, а поверхности, расположенные в опускном газоходе, — дробеструйной установкой.
Обмуровка предтопка и котлов выполнена в виде трехслойной кирпичной кладки.
Котлы типа ПКК, поставляемые транспортабельными блоками, выпускают трех типов: производительностью 30, 75 и 100 т/ч пара.

Котлы-утилизаторы - принцип работы, установка

Рис. 1. Котел-утилизатор типа ПКК: 1 — предтопок, 2, 10 —газоходы, 3 — пароперегреватель, 4 — ширмы, 5 — коллектор, 6 — пароотводящие трубы, 7 — каркас, 8 — барабан, 9 — дробеструйная установка, 11 — воздухоподогреватель, 12 — экономайзер

Котлы-утилизаторы - принцип работы, установка

Пример. Приведем пример расчета ТЭО для одной из ранее изготовленной и запущенной в эксплуатацию установки.

Пример расчета ТЭО на основе теплового модуля ТММ-ТМВГ.550 для дизель-генераторной установки Caterpillar 3512 электрической мощностью 800 кВт (заказчик –  ООО «Золото Селигдара»). Тепловой модуль (ТМ) установлен в республики Якутия. В данном проекте ДГУ работает практически круглосуточно, весь отопительный сезон (с октября по май, то есть 2/3 года). Годовая наработка ТМ составляет 5800 ч (8700*2/3 = 5800).

Утилизация тепла производится только по одному контору – выхлопные газы. В данном тепловом модуле выхлопные газы от ДГУ нагревают сетевой теплоноситель из «обратки» котельного контура системы отопления и нагретая таким образом вода поступает снова в «обратку». Отопительная котельная получает воду температурой не 70, а 80-90°С (в зависимости от загрузки ДГУ), и, соответственно, существенно меньше тратит топлива на догрев ее до требуемых 90°С.

Максимальная тепловая мощность установки при понижении температуры выхлопных градусов с 500 до 120 °С составляет 550 кВт. Средняя тепловая выработка тепла модулей составляет 385 кВт (при 70% загрузке ДГУ).

Годовая выработка тепла на СУТ = 385 кВт * 5800 = 2 233 000 кВтч.

Максимальные потери обычно составляют 15%. То есть реальная годовая выработка составит не менее 2 233 000 * 0,85 = 1 898 0000 кВтч.

По данным заказчика, стоимость выработки 1 кВтч тепла на дизельном топливе до использования теплового модуля составляла 7 рублей с учетом НДС.

Пояснение: на выработку 1 кВт тепла тратится примерно 0,1 л дизельного топлива (у большинства котлов). Стоимость 1 л дизтоплива в труднодоступных районах составляет не менее 70 руб/л.

Таким образом, годовая экономия составит: 7 * 1 898 000 = 13 286 000 руб.

Стоимость модуля ТММ-ТМВГ.550 составляет порядка 2 100 000 рублей с НДС.

Доставка, монтаж, ПНР, привязка модуля к контуру отопления и иные работы обычно стоят не более 50% от стоимости модуля.

Итого, общие затраты на создание системы утилизации тепла составят порядка 3 150 000 рублей с НДС.

Таким образом, окупаемость проекта составляет 3 150 000/13 286 000 = 0,24 года, то есть три месяца после ввода в эксплуатацию.

В том случае, если котельная работает на угле, стоимость кВт тепла обычно составляет 2,5-4 руб/кВт. Таким образом, окупаемость будет примерно в два-три раза больше, но все равно практически всегда срок окупаемости не превышает двух  отопительных сезонов. Примерно на 30% срок окупаемости снижается, если производить полную систему утилизации тепла. Возможность установки полного теплового модуля определяется для каждого проекта отдельно. Модуль по утилизации тепла дымовых газов практически всегда можно установить без доработок системы.

В примере приведен только расчет экономической эффективности использования систем утилизации тепла. Для каждого отдельного проекта требуется проведение своего расчета.


Использованные источники

  1. teploclass.ru/kotly/kotel-utilizator
  2. gefest-nn.com/catalog/kotly-i-kotloagregaty/kotly-utilizatory.html
  3. aqua-therm.ru/kruglyy-stol/spec-proekty_13.html

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Этот сайт использует Akismet для борьбы со спамом. Узнайте, как обрабатываются ваши данные комментариев.