Воздухоподогреватели
В современных котлах, особенно при сжигании влажных топлив, широко применяются воздухоподогреватели, Подача горячего воздуха в топку котла ускоряет воспламенение топлива и интенсифицирует процесс его горения, уменьшая потери теплоты от химической и механической неполноты горения. Установка воздухоподогревателя позволяет также снизить температуру уходящих газов, что особенно существенно при предварительном подогреве питательной воды, поступающей в водяной экономайзер.
В пылеугольных топках горячий воздух используется для сушки топлива в процессе его размола и транспорта готовой пыли. В то же время установка воздухоподогревателя требует дополнительных капитальных затрат, увеличивает габариты парогенератора и сопротивление газового и воздушного тракта агрегата.
Температура подогрева воздуха выбирается в зависимости от способа сжигания и вида топлива. При сжигании каменных углей и антрацитов в слоевых топках температура подогрева воздуха не должна превышать 200 °С, а для бурых углей необходим подогрев до 150-250 °С. Рекомендуемые температуры подогрева воздуха при камерном сжигании топлива в зависимости от его сорта приведены в табл. 8-2.
Продукты сгорания, поступающие в воздухоподогреватель, охлаждаются в нем медленнее, чем нагревается воздух. Так, в среднем при охлаждении продуктов сгорания на 1 К воздух нагревается на 1,15-1,45 К. Это обусловлено тем, что количество продуктов сгорания и теплоемкость их больше, чем у нагреваемого воздуха, и для высокого подогрева воздуха при одноступенчатом подогреве потребовалась бы поверхность нагрева воздухоподогревателя весьма больших размеров. В современных парогенераторах для получения высокого подогрева воздуха применяют двухступенчатый подогрев, размещая воздухоподогреватель врассечку с водяным экономайзером.
На рис. 8-10 показано размещение водяного экономайзера и воздухоподогревателя при двухступенчатом подогреве воздуха, а на рис, 8-11 - сравнительный график подогрева воздуха в одно- и двухступенчатом воздухоподогревателе.
Как ясно из графика, при одноступенчатом подогреве нагрев воздуха до заданной температуры невозможен (штриховая линия, точка 1) из-за недостаточного температурного напора продуктов сгорания. При двухступенчатом подогреве за счет переноса второй ступени воздухоподогревателя в зону более высоких температур продуктовсгорания заданный подогрев воздуха может быть обеспечен (сплошная линия, точка 2).
Расположение точек на графике показывает также, что для подогрева воздуха до температуры, превышающей температуру уходящих продуктов сгорания, движение воздуха и газов должно быть противоточным. Очевидно, что при прямотоке температура горячего воздуха всегда будет ниже температуры уходящих газов. Кроме того, двухступенчатый подогрев позволяет сократить необходимую поверхность нагрева воздухоподогревателя за счет большего температурного напора во второй ступени воздухоподогревателя.
По принципу действия воздухоподогреватели разделяют на рекуперативные и регенеративные. В рекуперативном воздухоподогревателе передача теплоты от продуктов сгорания к воздуху происходит непрерывно через разделительную стенку, по одну сторону которой движутся продукты сгорания, а по другую - нагреваемый воздух.
Конструктивно рекуперативные воздухоподогреватели могут быть чугунными или стальными (пластинчатыми и трубчатыми). В отечественном котлостроении в настоящее время применяются трубчатые воздухоподогреватели. На рис. 8-12 показан куб такого воздухоподогревателя.
Трубчатые воздухоподогреватели рекомендуется выполнять из труб наружным диаметром 33-40 мм с толщиной стенки 1,5 мм. Для малозольных топлив и природного газа могут применяться трубы наружным диаметром 29 мм. Куб трубчатого воздухоподогревателя состоит из двух металлических листов (трубные доски), в которые в шахматном порядке вварены трубы. Продукты сгорания движутся внутри труб, а воздух омывает их снаружи, что облегчает очистку воздухоподогревателя от летучей золы. По воздушному тракту воздухоподогреватель может быть одноходовым или многоходовым. В регенеративных воздухоподогревателях передача теплоть от продуктов сгорания к нагреваемому воздуху осуществляете вход путем попеременного навоздуха дымовых газов гревания и охлаждения одной и той же поверхности нагрева. Конструктивно регенеративный воздухоподогреватель представляет собой барабан в цилиндрическом корпусе. Барабан заполнен набивкой и 7 приводится во вращение от электродвигателя. Набивка выполнена из гофрированных металлических листов, что обеспечивает турбулизацию потока и более высокие коэффициенты теплоотдачи. Конструктивная схема регенеративного Воздухоподогревателя показана на рис. 8-13.
Преимуществом регенеративных воздухоподогревателей является их компактность и небольшая масса, а основным недостатком - значительная перетечка воздуха с воздушной стороны в газовую (нормативный присос воздуха 0,2-0,25). Регенеративные воздухоподогреватели обеспечивают подогрев воздуха до 250-300 °С и применяются главным образом для котлов большой мощности.
Весьма существенным при конструировании воздухоподогревателей является выбор скоростей продуктов сгорания и воздуха. Для трубчатых воздухоподогревателей скорость продуктов сгорания обычно составляет 9-13, а воздуха 4,5-6 м/с.
Воздухоподогреватели, расположенные в зоне низких температур продуктов сгорания, подвержены наружной коррозии, которая особенно интенсивно протекает при сжигании сернистых топлив. Воздухоподогреватели промышленных парогенераторов обычно защищают от коррозии, поддерживая температуру стенки труб на 10 К превышающей температуру точки росы.
Температура точки росы продуктов сгорания (°С)
где tконд - температура, при которой происходит конденсация водяных паров из продуктов сгорания, °С; ∆tp - поправка, учитывающая увеличение температуры точки росы по сравнению с температурой конденсации.
Для топлив, не содержащих серы, температуру точки росы считают равной температуре конденсации водяных паров при их парциальном давлении в продуктах сгорания. В этом случае температура точки росы составляет 45-55 °С.
Величина ∆tv зависит от приведенной сернистости и зольности,
Коррозия при сжигании сернистых топлив протекает медленно (не скорее 0,2 мм/год) при соблюдении следующего условия: Проверка отсутствия росы на трубах воздухоподогревателя производится путем определения минимальной температуры стенки. Для трубчатого воздухоподогревателя (°С)
Проверка отсутствия росы на трубах воздухоподогревателя производится путем определения минимальной температуры стенки. Для трубчатого воздухоподогревателя (°С)
где акг> акв - коэффициенты теплоотдачи от продуктов сгорания к стенке н от стенки к воздуху, Вт/(м2- К); О", tsn - температура продуктов сгорания после воздухоподогревателя и температура воздуха на входе в воздухоподогреватель, °С; 0,8 и 0,95 - коэффициенты, учитывающие загрязнение поверхности воздухоподогревателя.
Температура стенки, подсчитанная по вышеприведенной формуле, должна быть выше температуры точки росы. Следует учитывать, что при сжигании сернистых мазутов температура точки росы достигает 140 °С. В связи с этим полное отсутствие коррозии при сжигании сернистого мазута с коэффициентом избытка воздуха 1,20-1,25 и при продольном омывании продуктами сгорания достигается при tcт>125 °С. Сжигание мазута сост= 1,02-4-1,03 приводит к заметному уменьшению образования S03 при горении, что позволяет снизить температуру стенки до 85 °С.
При сжигании сернистых топлив для защиты воздухоподогревателя от коррозии его поверхность нагрева покрывают кислотостойкой эмалью. Одним из перспективных направлений является изготовление «холодных» (низкотемпературных) поверхностей воздухоподогревателя из специальных сортов стекла. Воздухоподогреватель со стеклянными трубами (ВПСТ) позволяет при сжигании высокосернистых мазутов снизить температуру уходящих газов до 125-130 °С, т. е. повысить КПД котла на 2,5-3%. Предварительный подогрев воздуха в ВПСТ до 80-90 °С исключает конденсацию паров серной кислоты на поверхности нагрева стальной части воздухоподогревателя и, следовательно, предохраняет ее от коррозии.
В СССР выпускаются термостойкие трубы из малощелочного стекла марки 13в (диаметр труб 45 мм, толщина стенки 4-4,5 мм). Допустимая рабочая температура стекла 350-400 °С. Термостойкость стекла, характеризуемая температурой, при которой допустим переход из горячей среды в холодную, составляет 90-100 °С. Компоновка воздухоподогревателя со стеклянными трубами из типовых блоков показана на рис. 8-14.
Площадь поверхности нагрева типового блока составляет 224 м2. Типовый блок представляет собой параллелепипед с наружными размерами 3140X2080X1350 мм. Каркас блока сварен из швеллеров № 10 и 12 и состоит из торцевых рам и продольных связей. К торцевым рамам приварены трубные доски. Трубы расположены в шахматном порядке. Для паровых и водогрейных котлов ВПСТ могут монтироваться с горизонтальными (рис. 8-14, а) или вертикальными (рис. 8-14,6) трубами. ВПСТ устанавливаются по ходу воздуха перед стальными воздухоподогревателями на стороне всасывания или нагнетания дутьевого вентилятора.
Очистка наружной поверхности ВПСТ производится обмывкой. Обмывку выполняют горячей водой с температурой 90-100°С и давлением не ниже 500 кПа при работе котла с нагрузкой 50 % номинальной. На неработающем котле ВПСТ обмывают холодной водой.
Для защиты от коррозии могут также применяться воздухоподогреватели с промежуточным теплоносителем. Принципиальная схема такого воздухоподогревателя показана на рис. 8-15.
Он состоит из герметически закрытых трубок, заполненных примерно наполовину водой. Одна часть наклонно устанавливаемых трубок омывается продуктами сгорания, а другая - нагреваемым воздухом. В результате обогрева продуктами сгорания в нижней части трубок образуется пар, который поднимается по наклонной трубке. Пар, попав в часть трубок, омываемую воздухом, вследствие охлаждения конденсируется. В результате стенки трубок, находящиеся в зоне обогрева продуктами сгорания, имеют температуру, несколько большую температуры кипящей в трубках воды (100 °С при давлении 101 кПа). Очевидно, что из воды, заливаемой в трубки, должны быть полностью удалены растворенные в ней газы (кислород, углекислый газ).
Для поддержания температуры стенки воздухоподогревателя, превышающей температуру точки росы, применяют рециркуляцию горячего воздуха и предварительный нагрев воздуха перед подачей его в воздухоподогреватель. В последнее время рециркуляцией горячего воздуха во всасывающий патрубок вентилятора пользуются редко, так как при этой схеме возрастает расход электроэнергии на привод вентилятора. Кроме того, рециркуляция плохо защищает воздухоподогреватель при растопке парогенератора. Подогрев воздуха перед поступлением его в воздухоподогреватель широко применяется в настоящее время, так как обеспечивает необходимый подогрев воздуха при любых режимах работы парогенератора.