Введение
Устройство, предназначенное для нагрева воздуха перед другим процессом.
Предварительный нагреватель воздуха – это любое устройство, предназначенное для нагрева воздуха перед другим процессом (например, сгоранием в котле) с основной целью повышения тепловой эффективности процесса. Они могут использоваться самостоятельно, заменять рекуперативную систему нагрева или паровой теплообменник. В данной статье рассматриваются предварительные нагреватели воздуха, используемые в больших котлах тепловых электростанций, вырабатывающих электроэнергию из ископаемого топлива, биомассы или отходов. Например, благодаря предварительному нагревателю воздуха Льюнгстрём, по оценкам, во всем мире удалось сэкономить 4,96 миллиарда тонн нефти. "Мало изобретений оказались столь успешными в экономии топлива, как предварительный нагреватель воздуха Льюнгстрём", – он был признан Американским обществом инженеров-механиков 44-м Международным историческим памятником машиностроения. Назначение предварительного нагревателя воздуха – утилизация тепла отходящих дымовых газов котла, что повышает его тепловую эффективность за счет снижения потерь полезного тепла с дымовыми газами. В результате дымовые газы поступают в дымовую трубу (или дымоход) при более низкой температуре, что упрощает конструкцию системы дымоудаления и самой трубы. Это также позволяет контролировать температуру газов, покидающих трубу (например, для соответствия нормам выбросов). Устройство устанавливается между экономизатором и дымоходом.
Типы
Существует два типа воздушных подогревателей для использования в парогенераторах тепловых электростанций: один – трубчатый, встроенный в газоход котла, а другой – регенеративный воздушный подогреватель. Они могут быть расположены таким образом, чтобы поток газа пересекал ось вращения горизонтально или вертикально. Еще один тип воздушного подогревателя – регенератор, применяемый в производстве железа или стекла.
Особенности конструкции
Трубчатые предварительные нагреватели состоят из прямых трубных пучков, проходящих через выходной канал котла и имеющих открытые концы за пределами этого канала. Внутри канала горячие дымовые газы обтекают трубы предварительного нагревателя, передавая тепло отходящих газов воздуху внутри нагревателя. Окружающий воздух нагнетается вентилятором через воздуховоды с одного конца труб предварительного нагревателя, а с другого конца нагретый воздух выходит в другой набор воздуховодов, которые направляют его в топку котла для сжигания.
Проблемы
Трубчатые воздуховоды предварительного нагревателя для холодного и горячего воздуха требуют больше пространства и несущих конструкций, чем конструкция вращающегося предварительного нагревателя. Кроме того, из-за абразивных дымовых газов, содержащих пыль, трубы, расположенные снаружи воздуховода, быстрее изнашиваются со стороны, обращенной к потоку газа. Для решения этой проблемы было достигнуто множество успехов, например, применение керамики и закаленной стали. Многие новые парогенераторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и пузырьковым псевдоожиженным слоем (BFB) в настоящее время оснащаются трубчатыми воздухонагревателями, что дает преимущество по сравнению с наличием движущихся частей в роторных типах.
Коррозия точки росы
Коррозия точки росы возникает по ряду причин. Тип используемого топлива, содержание в нем серы и влаги являются способствующими факторами. Однако, наиболее существенным фактором, влияющим на коррозию точки росы, является температура металла труб. Если температура металла внутри труб опускается ниже температуры насыщения кислотой – обычно в диапазоне от 190 °F (88 °C) до 230 °F (110 °C), но иногда и до 260 °F (127 °C) – то риск повреждения, вызванного коррозией точки росы, становится значительным.
Прегреватели воздуха с регенеративной силой
Существует два типа регенеративных подогревателей воздуха: вращающиеся пластинчатые регенеративные подогреватели воздуха (RAPH) и стационарные пластинчатые регенеративные подогреватели воздуха (Rothemuhle).
Переднагреватель воздуха с ротационной пластиной
В трехсекторной конструкции самый большой сектор (обычно занимающий около половины поперечного сечения корпуса) соединен с выходом горячих газов из котла. Горячие отходящие газы обтекают центральный элемент, передавая ему часть тепла, а затем направляются для дальнейшей очистки в пылеуловители и другое оборудование перед выбросом в дымовую трубу. Второй, меньший сектор, снабжается атмосферным воздухом от вентилятора, который проходит над нагретым элементом по мере его вращения в этом секторе, и нагревается, прежде чем подаваться в котельную топку для сжигания. Третий сектор – самый маленький – нагревает воздух, который направляется в угольные мельницы и используется для транспортировки угольно-воздушной смеси к угольным горелкам котла. Таким образом, общий объем воздуха, нагреваемого в RAPH, обеспечивает: подогрев воздуха для удаления влаги из распыленного угля, транспортный воздух для подачи распыленного угля к котловым горелкам и первичный воздух для горения. Сам ротор является теплообменным элементом в этой системе и обычно изготавливается из стали и/или керамики. Он вращается достаточно медленно (около 1-2 оборотов в минуту), чтобы обеспечить оптимальную передачу тепла сначала от горячих отходящих газов к элементу, а затем, по мере вращения, от элемента к более холодному воздуху в других секторах.
Особенности конструкции
В этой конструкции весь корпус воздушного подогревателя поддерживается непосредственно на несущей конструкции котла с предусмотренными компенсационными соединениями в воздуховодах. Вертикальный ротор опирается на упорные подшипники в нижней части и имеет систему смазки с масляной ванной, охлаждаемой водой, циркулирующей по змеевикам внутри масляной ванны. Такая конструкция предназначена для охлаждения нижнего конца вала, поскольку эта часть вертикального ротора находится в зоне контакта с горячими газами. Верхний конец ротора оснащен простым роликовым подшипником для фиксации вала в вертикальном положении. Ротор собран на вертикальном валу с радиальными опорами и направляющими для удержания корзин. Также предусмотрены радиальные и окружные уплотнительные пластины для предотвращения утечек газов или воздуха между секторами или между воздуховодом и корпусом во время вращения. Для онлайн-очистки корзин от отложений используются паровые форсунки, при этом выдуваемая пыль и зола собираются в нижнем золотниковом бункере воздушного подогревателя. Этот бункер соединен с основными золотниковыми бункерами пылеуловителей для совместной выгрузки. Ротор приводится во вращение воздушным двигателем и редуктором и должен быть запущен до пуска котла, а также продолжать вращаться некоторое время после остановки котла, чтобы избежать неравномерного расширения и сжатия, которое может привести к деформации или растрескиванию ротора. Воздух на станции обычно полностью сухой (сухой воздух необходим для работы приборов), поэтому в воздух, используемый для привода ротора, впрыскивается масло для смазки воздушного двигателя. Для визуального контроля работы подогревателя в любых режимах предусмотрены защищенные смотровые окна. Корзины расположены в секторах корпуса, установленных на роторе, и подлежат замене. Срок службы корзин зависит от абразивности золы и коррозионной активности отходящих газов котла.
Проблемы
В дымовых газах котла содержится большое количество пылевидных частиц (из-за высокого содержания золы), не участвующих в процессе сгорания, таких как диоксид кремния, вызывающие абразивный износ корзин, а также, в зависимости от состава топлива, коррозионные газы. Например, индийский уголь обычно характеризуется высоким содержанием золы и диоксида кремния в дымовых газах. Следовательно, износ корзин, как правило, выше, чем при использовании других, более чисто сгорающих видов топлива. В данном РАПХ пыле- и коррозионно-активные газы котла проходят между элементами корзин воздушного подогревателя. Элементы состоят из гофрированных пластин зигзагообразной формы, запрессованных в стальную корзину, обеспечивающую достаточное кольцевое пространство для прохождения газа. Гофрирование пластин увеличивает площадь поверхности для поглощения тепла и придает им необходимую жесткость для укладки в корзины. Поэтому требуется частая замена корзин, и новые всегда должны быть в наличии. Изначально для изготовления элементов использовалась кортеновская сталь. Сегодня, благодаря технологическому прогрессу, многие производители используют собственные запатентованные материалы. Некоторые производители предлагают различные материалы для элементов, чтобы увеличить срок службы корзин. В определенных случаях на элементах воздушного подогревателя могут образовываться несгоревшие отложения, что может привести к их возгоранию во время нормальной работы котла и, как следствие, к взрывам внутри воздушного подогревателя. Иногда слабые взрывы можно обнаружить в диспетчерской по изменению температуры воздуха, поступающего и выходящего из системы сгорания.
Прегреватель воздуха с регенеративной пластинкой
Элементы нагревательных пластин в этом типе регенеративного подогревателя воздуха также устанавливаются в корпус, но сами элементы нагревательных пластин являются стационарными, а не вращающимися. Вместо этого вращаются воздуховоды подогревателя, попеременно направляя потоки восходящего холодного воздуха к различным участкам нагревательных пластин. Стационарные пластинчатые регенеративные подогреватели воздуха также известны как подогреватели Ротэмуле, которые компания Balke Dürr GmbH из Рейтингена (Германия) производит уже более 25 лет.
Регенератор
Регенератор состоит из кирпичной шахматной кладки: кирпичи укладываются с промежутками, равными ширине кирпича, чтобы воздух мог относительно легко проходить сквозь кладку. Принцип работы заключается в том, что горячие отходящие газы, проходя через шахматную кладку, отдают тепло кирпичам. Затем направление воздушного потока меняется, и горячие кирпичи нагревают поступающий воздух и топливо. Для стеклоплавильной печи регенератор располагается по обе стороны от печи, часто являясь её неотъемлемой частью. Для доменной печи регенераторы (обычно называемые каупер-печи) располагаются отдельно от печи. Доменной печи требуется не менее двух каупер-печей, но их может быть и три. Одна из печей находится "на газовом нагреве", получая горячие газы из верхней части печи и нагревая кирпичную кладку внутри, в то время как другая находится "на продувке", получая холодный воздух от воздуходувок, нагревая его и подавая в доменную печь.