Котельные агрегаты и топочные устройства для различных видов топлива

1.

Белорусский национальный технический университет
Кафедра ЮНЕСКО “Энергосбережение и
возобновляемые источники энергии”
Топливо и его
использование
Лекция 3.
Котельные агрегаты и топочные
устройства для различных видов топлива

2. КОТЕЛ ПАРОВОЙ, ПАРОГЕНЕРАТОР

Топливо
Лекция 3
– это сосуд под давлением, в котором (питательная) вода
нагревается и превращается в насыщенный пар.
С этой целью паровой котёл может использовать:
теплоту сгорания топлива, сжигаемого в своей топке,
электрическую энергию (электрический паровой котёл),
ядерную, солнечную или геотермальную энергию
или теплоту, выделяющуюся в других установках (котлыутилизаторы).
Кроме собственно котла (парогенератора) в состав котельной
установки, могут входить пароперегреватель (ПП), водяной
экономайзер (ВЭ) и воздухоподогреватель (ВП), размещаемые в
конвективной части или шахте.
Самые малые паровые котлы бытового назначения дают ~20 кг/ч
насыщенного пара при давлениях не выше 0.17 МПа.
Котлы крупнейших электростанций производят до 4500 т/ч
перегретого пара при давлении до 28 МПа и температуре до 545°C.
Такие параметры называются сверхкритическими, поскольку они
превышают критические для воды (22,1 МПа и 374°C).
Мощный энергетический паровой котел может, потребляя сотни
тонн /час топлива, достигать электрической мощности 1300 МВт.

3. КЛАССИФИКАЦИЯ ПАРОВЫХ КОТЛОВ

Топливо
Лекция 3
КЛАССИФИКАЦИЯ
ПАРОВЫХ КОТЛОВ
Парогенераторы служат источниками пара для выработки
электроэнергии, отопления и технологических процессов в
промышленности.
Энергетические паровые котлы предназначены для
производства пара, использующегося в паровых турбинах
тепловых электростанций (КЭС и ТЭЦ).
Промышленные паровые котлы вырабатывают пар для
технологических нужд
Паровые котлы-утилизаторы используют для получения
пара вторичные энергетические ресурсы, например, теплоту
горячих газов, образующихся в технологическом цикле.
Энергетические котлы-утилизаторы в составе ПГУ
используют теплоту уходящих газов ГТУ.

4.

Топливо
Лекция 3
По принципу относительного движения греющей (продукты
сгорания или дымовые газы) и нагреваемой сред (вода,
пароводяная смесь, пар) паровые котлы могут быть
подразделены на две группы:
газотрубные (жаротрубные, дымогарные) котлы,
водотрубные котлы.
В водотрубных парогенераторах внутри труб движутся
вода, пароводяная смесь и пар, а дымовые газы омывают
трубы снаружи.
В газотрубных, наоборот, внутри труб движутся дымовые
газы, а вода и пар омывают трубы снаружи.
Водотрубные котлы по принципу движения воды и
пароводяной смеси подразделяются на:
барабанные
прямоточные

5. УСТРОЙСТВО БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА

Топливо
Лекция 3
УСТРОЙСТВО
БАРАБАННОГО ПАРОВОГО КОТЛА
Во всех энергетических и технологических котлах имеется
топочная камера (топка), в которой сжигается топливо.
Горячие газообразные продукты горения уходят из зоны
горения и на своем пути омывают поверхности
испарительных (кипятильных) труб, расположенных на
ограждающих поверхностях топки и в газовом тракте. За счет
лучистого теплообмена с испарительными поверхностями
газы охлаждаются до температуры около 1000оС на выходе
из топки.
Проходя далее по конвективной шахте котла, эти газы
охлаждаются до температуры уходящих газов.
Теплота, отдаваемая газами, поглощается водой, которая
нагревается, испаряется и перегревается.
Процесс испарения вызывает естественную циркуляцию
рабочей среды за счёт разности плотностей воды в
необогреваемых опускных трубах и паро-водяной смеси в
обогреваемых кипятильных трубах. За один проход по
испарительным поверхностям испаряется лишь часть воды,
остальная возвращается в барабан и проходит поверхности
многократно.

6. Естественная циркуляция в барабанном паровом котле

Замкнутый циркуляционный контур
состоит из барабана 3 и коллектора 4,
соединенных между собой подъемной
1 и опускной 2 трубами.
При подводе теплоты к подъемной
трубе вода в ней частично испаряется и
образуется пароводяная смесь,
плотность которой значительно меньше
плотности воды в необогреваемой
опускной трубе.
В результате этого в замкнутом
контуре создается напор, благодаря
которому вода и пароводяная смесь
приходят в движение: вода движется
вниз к коллектору, а смесь - вверх в
барабан, где пар отделяется от воды.
В котлах большей мощности используется принудительная
циркуляция воды с помощью специальных насосов.

7. Параметры паровых котлов с естественной циркуляцией (тип Е)

Производительность
Dп, т / ч
0.2–2.5
Абс. давление
пара
рп, МПа
0.9
2.5
1.4
10–160
2.4
10–160
160–220
210–820
3.9
9.8
13.8
* для котлов без деаэратора
Температура Температура
пара
питательной
tп, оС
воды tпв, оС
Насыщенный
50 *; 100
или 220–300
Насыщенный
100
или 220–350
Насыщенный
100
или 220–425
440
145
540
215
560
230

8. Схема барабанного котла с принудительной циркуляцией

1 - Питательный насос
2 - Экономайзер
3 - Подъемные трубы
4 - Опускные трубы
5 - Барабан
6 - Пароперегреватель
7 - В турбину
8 - Циркуляционный
насос

9. Барабан парового котла

Барабан (Drum) - элемент парового котла,
предназначенный для сбора и раздачи рабочего тела, для
отделения пара от воды, очистки пара, обеспечения запаса
воды в котле.
К барабану котла присоединяются кипятильные и
опускные трубы, питательные трубы, предохранительные
устройства и контрольно-измерительные приборы. Внутри
барабана котла размещаются сепарационные устройства.
Барабаны котлов изготовляют из листовой котельной
стали толщиной от 13 до 40 мм (в зависимости от давления
пара) диаметром до 1000 мм со штампованными днищами и
лазом. Диаметр барабана выбирается минимально
возможным по условиям прочности.
Внутреннюю часть объема барабана котла, всегда
заполненную водой до определенного уровня, называют
водяным объемом, а заполненную паром при работе котла —
паровым объемом.

10. Барабан парового котла

11. Топочные экраны

Топливо
Топочные экраны
Лекция 3
В топках водотрубных котлов обычно предусматривают
настенные радиационные экраны, которые позволяют повысить
тепловыделение в топке при меньшей тепловой нагрузке на ее
стенки, благодаря чему существенно снижаются требования к
теплоизоляции стенок.
Экраны выполняют в виде
частых труб, по которым
проходит котловая вода;
образующийся в них пар
отводится в паровой барабан.
Такими экранами обычно
защищают (полностью или
частично) стены котельной
установки. Трубы могут быть
гладкими, плавниковыми,
ошипованными, с огнеупорной
обмазкой.

12. Прямоточные котлы

Прямоточный котел не имеет барабана и является
разомкнутой гидравлической системой. Питательная вода
однократно и последовательно проходит через
испарительные трубы, постепенно превращаясь в пар,
переходную зону, где заканчивается парообразование, и
пароперегреватель, из которого выходит перегретый пар.
Часто прямоточные котлы имеют промежуточный
пароперегреватель.
Прямоточные котлы применяются главным образом на
крупных электростанциях, работающих на ископаемом
топливе. Такие котлы работают как на докритическом, так и
на сверхкритическом давлении. Благодаря широкому
диапазону рабочих условий они отличаются простотой пуска
и перехода с режима на режим.

13. Схема прямоточного парового котла

1 Питательный насос
2 Экономайзер
3 Испарительные трубы
6 Пароперегреватель
7 В турбину

14. Системы прямоточных котлов

система Рамзина
система Бенсона

15. б) прямоточный паровой котел (тип П) системы Рамзинá

Параметры:
– 0.16–1.0 т/ч, 0.9 МПа
насыщенный пар;
Тип Пп
(с промежуточным
перегревом пара)
– 670–3950 т/ч,
13.8–25 МПа,
545–565оС

16. Параметры паровых котлов

Топливо
Параметры
паровых котлов
Лекция 3
В небольших установках применяются чугунные или стальные
котлы для производства насыщенного пара с Р ≤ 0.17 МПа.
В производственных и энергетических котельных по параметрам
получаемого пара различают котельные агрегаты
низкого давления
(0,8 – 1,6 МПа)
среднего давления
(2,4 – 4,0 МПа)
высокого давления
(10 – 14 МПа)
сверхвысокого давления
(25 – 31 МПа)
Котельные агрегаты по тепловой или паровой
производительности принято разделять на группы
до 7,6 МВт или 10 т/ч
–
малой мощности,
11–58 МВт или 16–75 т/ч –
средней мощности,
свыше 58 МВт или 75 т/ч –
большой мощности.
Указанное деление является условным, поскольку
ориентируется на сложившееся положение.

17.

Топливо
Лекция 3
Водотрубные котлы
более надежны и безопасны, чем газотрубные
при повышенных производительности и давлении пара,
поскольку пар/вода под давлением находится в трубах
небольшого диаметра, требования к толщине стенки
которых оказываются умеренными и легко выполнимыми.
Водотрубные паровые котлы по конструкции значительно
сложнее газотрубных, однако они
быстро разогреваются,
практически безопасны в отношении взрыва,
легко регулируются в соответствии с изменениями нагрузки,
просты в транспортировке,
легко перестраиваемы в проектных решениях
и допускают значительную перегрузку.
В конструкции водотрубного котла много агрегатов и узлов,
соединения которых не должны допускать протечек при
высоких давлениях и температурах, и доступ к которым
ограничен.

18. Развитие конструктивных форм паровых котлов

1 цилиндрический
котел
2 жаротрубные
котлы
3 дымогарные
котлы
4 горизонтальноводотрубные
5 вертикальноводотрубные
6 экранные
водотрубные

19. ГАЗОТРУБНЫЕ КОТЛЫ

Область применения газотрубных котлов ограничивается
тепловой мощностью ≈ 0.4 МВт и рабочим давлением
воды/пара ≈ 1 МПа. При превышении указанных
производительности и давления толщина стенки,
ограничивающей значительный паро/водяной объем, с
учетом требований безопасности оказывается неприемлемо
большой.
При недостаточно прочных стенках возможен взрыв котла,
сопровождающийся мгновенным выбросом больших объемов
пара, что может привести к катастрофе.
Газотрубные котлы можно считать устаревшими, хотя пока
в эксплуатации еще находятся многие тысячи таких котлов
тепловой мощностью до 1 МВт, обслуживающих
промышленные предприятия и жилые здания.

20. Горизонтальный газотрубный дымогарный паровой котел

1 – подвод топлива и воздуха; 2 – топочная камера; 3 – дымогарные трубы
прямого хода; 4 – дымогарные трубы обратного хода; 5 – задняя трубная
решетка; 6 – вход воды; 7 – выход пара; 8 – сепаратор пара; 9 – барабан;
10 – пар; 11 – вода; 12 – водомерное стекло; 13 – дымоход к дымовой
трубе; 14 – дымовой короб; 15 – слив.

21.

Схема паровоза: 1 — топка; 2 — зольник; 3 — дымогарный паровой
котёл; 4 — дымовая коробка; 5 — будка; 6 — тендер; 7 — сухопарник; 8
— предохранительный клапан; 9 — клапан регулятора; 10 —
пароперегреватель; 11 — паровая машина; 12 — конус; 13 —
парораспределительный механизм; 14 — привод регулятора; 15 —
экипаж; 16 — поддерживающая тележка; 17 — бегунковая тележка; 18 —
букса; 19 — рессорное подвешивание; 20 — колодка тормоза; 21 —
паровоздушный насос; 22 — сцепное устройство; 23 — свисток; 24 —
песочница

22.

Жаротрубно-дымогарный
паровой котел на газовом/
жидком топливе

23.

Дымогарный паровой
котел на твердом
топливе

24. ВОДОТРУБНЫЕ ПАРОВЫЕ КОТЛЫ

Водотрубный котел состоит из пучков труб,
присоединенных своими концами к барабану
и нижним коллекторам (или барабанам).
Барабан и концы труб монтируются над топочной
камерой и заключаются в наружный кожух.
Барабаны (разной конструкции) служат резервуарами воды и
пара; их диаметр выбирается минимальным во избежание
трудностей, характерных для газотрубных котлов.
Водотрубные котлы бывают следующих типов:
вертикальные с одним или несколькими паровыми
барабанами,
горизонтальные с продольным или поперечным
барабаном
и комбинации перечисленных вариантов.

25. ТОПКА ПАРОВОГО КОТЛА

Топка котла – это один из важнейших агрегатов
парогенераторной системы. В топке сжигается
топливо, в результате чего выделяется тепло,
которое передается через металлические стенки
рабочей жидкости и превращает ее в пар.
Для эффективной работы топки необходима тяга.
Под тягой понимается разность давлений,
заставляющая воздух и топочные газы проходить
через топку и связанные с ней устройства. Самое
простое устройство для создания тяги без какоголибо механического оборудования – дымовая
труба.

26. Тяго-дутьевое оборудование

Тягу, создаваемую дымовой трубой, называют
естественной. Она обусловлена разностью давлений столба
нагретого газа, находящегося внутри высокой трубы, и такого
же столба более холодного наружного воздуха. Полная тяга
ограничивается только трением газов о стенки. Чем уже
труба, тем сильнее эффект трения.
При температуре ниже 150° C тяга, развиваемая дымовой
трубой, едва достаточна для преодоления сил трения в ней,
поэтому современные котлы работают исключительно с
принудительной тягой, создаваемой вентиляторами и
дымососами.
Расположенный перед топкой дутьевой вентилятор
подаёт воздух под давлением, необходимым для
преодоления сопротивления системы подготовки топлива,
воздухоподогревателя и горящего слоя или горелок.
Установленный за котлом вытяжной вентилятор
(дымосос), засасывая поток еще не остывших газов, создает
разность давлений, необходимую для поддержания быстрого
течения газов через котел и все другие теплообменные
устройства.

27. 2-барабанный вертикальный водотрубный паровой котел

1 – подвод топлива и воздуха;
2 – экранированная топка;
3 – огнеупорная обмазка
или металлическая обшивка
труб экрана;
4 – трубы экрана;
5 – вода;
6 – водяной барабан;
7 – слив;
8 – вертикальные водяные
трубы; 9 –перегородки;
10 – дымоход к дымовой трубе;
11 – вход воды;
12 – цилиндрический паровой
барабан; 13 – выход пара;
14 – пар;
15 – кипящая вода

28.

Котёл ДКВр-20-13 ГМ (БиКЗ, РФ)
2–барабанный, вертикально-водотрубный с камерной топкой
для сжигания газообразного и жидкого топлива
и выработки насыщенного или слабоперегретого пара

29.

Котёл ДКВр-20-13 ГМ

30. ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ

Топливо ВОДОГРЕЙНЫЙ КОТЕЛ
Лекция 3
Водогрейный котёл — сосуд для нагрева воды под
давлением, превышающим давление насыщения при рабочей
температуре. Вследствие этого кипение воды в котле не
допускается.
Водогрейные котлы применяются для нужд
теплоснабжения в частных домах, на котельных различной
мощности и на ТЭЦ. В последнем случае они обычно
используются как пиковое оборудование в дни максимальных
тепловых нагрузок, а также для резервирования тепла от
отборов турбины (их установленная мощность в умеренном и
холодном климате значительно превосходит мощность
отборов, но коэффициент её использования невелик).
Капитальные вложения в водогрейные котлы гораздо ниже,
чем в установку комбинированной выработки теплоты той же
тепловой мощности, однако при этом не вырабатывается
электроэнергия и нет возможности осуществить привод
механизмов котельной паром.

31.

Теплопроизводительность
водогрейного котла — Лекция 3
Топливо
количество теплоты, получаемое водой в единицу времени.
Измеряется в кВт, МВт, Гкал/час.
Номинальная теплопроизводительность — наибольшая
теплопроизводительность, которую водогрейный котел
должен обеспечивать при длительной эксплуатации при
номинальных значениях параметров воды с учетом
допустимых отклонений.
Минимальная температура воды на входе —
обеспечивающая допустимый уровень низкотемпературной
коррозии труб поверхностей нагрева (под действием
выпадающего из газов конденсата). Зависит от влажности и
сернистости топлива; обычно для газовых котлов составляет
60 °C, для редких моделей чуть ниже.
Максимальная температура воды на выходе — при которой
обеспечивается номинальное значение недогрева воды до
кипения при рабочем давлении. Основной параметр для
классификации котлов как опасных объектов. Номинальная
температура на выходе может составлять от 70 °C до 150 °C
и выше.
Температурный градиент воды — разность температур
воды на выходе из котла и на входе в котел. Чугунные котлы
имеют по этому параметру более жёсткие ограничения по

32.

Топливо котлы унифицированы по
Лекция 3
Водогрейные
теплопроизводительности на 16 типов: 0.54, 0.69, 1.0, 1.38, 1.72,
2.25, 2.7, 3.1, 4.0, 6.5, 10, 20, 30, 50, 100 и 180 Гкал/ч
(1 Гкал/ч = 1.163 МВт).
Котлы теплопроизводительностью
< 30 Гкал/ч предназначаются для работы только в основном
(базовом) режиме
≥ 50 Гкал/ч и выше допускают возможность работы как в
основном, так и в пиковом режимах, т.е. в период
максимального теплопотребления при наиболее низких
температурах наружного воздуха.
Температура воды на выходе из котла производительностью до
30 Гкал/ч не более 95; 115; 150; 200оС; свыше 50 Гкал/ч – не
более 150; 200оС.
При этом температура воды на входе в котёл
производительностью до 30 Гкал/ч – 70оС; свыше 50 Гкал/ч – 70
и 110оС.
При температуре воды на выходе 95; 115; 150; 200оС
абс.давление воды на выходе ≥ 0,24; 0.43; 1.0; 2.8 МПа
соответственно.

33. СЕКЦИОННЫЕ ЧУГУННЫЕ КОТЛЫ

Секционный (секцоированный) чугунный
отопительный котел рассчитан на максимальное
избыточное давление ок. 100 кПа. Он состоит из
отдельных чугунных секций, собираемых вместе
подобно радиаторам центрального отопления.
Тепловая производительность – до 1 МВт.
Основное достоинство такого котла состоит в
легкости его демонтажа на небольшие блоки. Кроме
того, при необходимости его легко наращивать.
Секционированные котлы работают с довольно
высоким КПД и быстро разогреваются, поскольку
внутренние поверхности секций образуют
непосредственно топочную камеру.

34.

35. Газотрубный водогрейный котел ВА-12000 (Белкотломаш)

36. Схема котельной установки на пылеугольном топливе

1 – питательный насос для подачи воды в ВЭ и далее – в котёл по
питательным трубопроводам 2;
3 – мельница для топлива, 4 – пылепроводы;
5 – паропроводы; 6 – конвективный газоход для утилизации теплоты газов;
7 – устройства для вывода шлаков и золы; 8 – воздушный вентилятор;
9 – фильтр для очистки дымовых азов от летучей золы;
10 – дымосос и 11 – дымовая труба для удаления отходящих дымовых
газов.

37. Шаровая барабанная мельница для измельчения угля

38. Молотковая мельница (аксиальная)

39. Факельный способ сжигания топлива в камерной топке

Лекция 3
Камерные топки для твердого
топлива с сухим
шлакоудалением разделяются
на 3 группы:
1. с пылеугольными
горелками;
2. с молотковыми
мельницами;
3. вихревые топки, в которых
создается газовоздушный
вихрь, принуждающий
частицы топлива
организованно
циркулировать по
определенным траекториям
внутри топочной камеры

40. Камерная пылеугольная топка с сухим шлакоудалением.

41.

Камерные топки с сухим и жидким шлакоудалением
холодная
воронка
Лётка – отверстие для
выпуска жидкого шлака (в
топках) или металла (в
плавильных печах)

42. Круглая пылеугольная (турбулентная) горелка

43. Горелочные устройства для твёрдого топлива

Вихревая для пылевидного
топлива
Для древесных гранул:
а) 10–20 кВт
б) 40–600 кВт

44.

Лекция 3 в
Вихревой способ сжигания твердого топлива
циклонных топках

45.

Лекция 3
Камерные топки с циклонными предтопками

46.

Лекция 3
Барнаульский
котельный
завод, РФ

47.

Слоевые топки для
сжигания твердого
топлива
а) с неподвижным
слоем
б) с наклонной
решёткой
в) с наклоннопереталкивающей
решёткой
г) с шурующей планкой
д) с цепной решёткой
е) факельно-слоевая

48. Схема горения твёрдого топлива в неподвижном слое

49. Шахтная топка для сжигания древесины и торфа

12 – колосники
подсушка и
розжиг топлива
горение
дожигание

50. Скоростная топка ЦКТИ системы Померанцева для сжигания измельчённых древесных отходов

Огневая
подсушка
и розжиг
Горение в
зажатом
слое 15
14 – зажимающая решетка из ошипованных
испарительных труб
17 –
фурмы
ввода
воздуха

51. Слоевая топка Hotab с наклонно–переталкивающей колосниковой решеткой

Слоевая топка Hotab с наклонно–
переталкивающей колосниковой решеткой

52. Топка для сжигания твёрдого топлива в кипящем слое (КС)

взвешенного
инертного
материала (песок,
зола), в матрице
которого горят
частицы топлива
Экранные
трубы
Резервные горелки
Кипящий слой
Воздухораспределительная решетка
"живое дно" с водяным
охлаждением
Вторичный воздух
Ввод топлива (течка)
Первичный воздух
Удаление золы и спёков

53. Топка циркулирующего кипящего слоя (ЦКС),

материал которого
непрерывно выносится
из топки в виде
потока газовзвеси,
отделяется от газов
и возвращается в топку.
Выход
газов
Горячие
циклоны
Экранные
трубы
ЦКС
Ввод топлива (течки)
Воздухораспределительная
решетка
Возврат в слой
частиц из
циклонов
Удаление золы и спёков

54. Паровая котельная установка с топкой ЦКС

55. Котёл с топкой ЦКС (Alholmen, Finland) Производитель: Kvaerner Pulping OY

56. Белорусские котлы с топками КС мощностью 0,4-4,0 МВт

ИТМО им. А.В.Лыкова / ОАО ГСКБ по микроклимату (Брест)

57. Схема водогрейного котла с топкой КС 1,25 МВт

58. СОВМЕСТНОЕ СЖИГАНИЕ БИОМАССЫ С УГЛЕМ

Способствует широкому энергетическому
использованию биотоплива
Прямое: в одной топке с использованием
существующих или специальных систем
топливоподачи и горелочных устройств
Непрямое: отдельная газификация биотоплива
и сброс синтез-газа в угольный котел
Параллельное: в разных парогенераторах,
объединенных в единый паротурбинный цикл

59. Система подачи угля и биомассы в топку ЦКС для совместного сжигания

Aker Kvaerner CFB Boiler, Finland

60. Горение капли жидкого топлива

Форсунки для распыления жидкого топлива: 1) паровые; 2)
воздушные; 3) механические (за счет давления топлива).

61.

Лекция 3
Камерные топки для сжигания газа и жидкого
топлива

62.

ТОПЛИВО
Лекция 3

63.

ТОПЛИВО
Лекция 3
1 – наконечник (подвод топлива),
2 – распределитель, 3 – завихритель,
4 – сопло, 5 – накидная гайка.
Давление топлива Р1 = 2 – 6 МПа.

64.

Жидкостные горелки котлов малой мощности

65.

Газовые горелки котлов малой мощности

66.

ТОПЛИВО
Лекция 3

67.

ТОПЛИВО
Лекция 3

68.

ТОПЛИВО
Лекция 3

69.

ТОПЛИВО
Лекция 3