Подогреватель воздуха — это любое устройство, предназначенное для нагрева воздуха перед другим процессом (например, сжиганием в котле) с основной целью повышения термического КПД процесса. Их можно использовать отдельно или для замены системы рекуперации тепла или парового змеевика.
В частности, в этой статье описываются подогреватели воздуха для горения, используемые в больших котлах на тепловых электростанциях , производящих электроэнергию, например, из ископаемого топлива , биомассы или отходов . [1] [2] [3] [4] [5] Например, поскольку подогреватель воздуха Ljungström оценивается во всем мире, экономия топлива оценивается в 4 960 000 000 тонн масла , «немногие изобретения оказались столь же успешными в экономии топлива , как Ljungström Air Preheater», отмеченный Американским обществом инженеров-механиков как 44-й международный исторический памятник машиностроения . [6]
Целью воздухоподогревателя является рекуперация тепла из дымовых газов котла , что повышает тепловой КПД котла за счет уменьшения потерь полезного тепла с дымовыми газами. Как следствие, дымовые газы также подаются в дымовую трубу (или дымоход ) при более низкой температуре, что позволяет упростить конструкцию системы транспортировки и дымовой трубы. Это также позволяет контролировать температуру газов, выходящих из дымовой трубы (например, для соблюдения норм по выбросам). Устанавливается между экономайзером и дымоходом.
Существует два типа воздухоподогревателей для использования в парогенераторах на тепловых электростанциях : один - трубчатого типа, встроенный в дымоход котла, а другой - регенеративный подогреватель воздуха. [1] [2] [7] Они могут быть расположены таким образом, чтобы газ текал горизонтально или вертикально поперек оси вращения.
Другим типом подогревателя воздуха является регенератор , используемый при производстве железа или стекла.
Трубчатые подогреватели состоят из прямых пучков труб , которые проходят через выходной воздуховод котла и открываются на каждом конце за пределы воздуховода. Внутри воздуховодов горячие печные газы проходят вокруг труб подогревателя, передавая тепло от выхлопных газов воздуху внутри подогревателя. Окружающий воздух нагнетается вентилятором через воздуховоды на одном конце трубок предварительного нагревателя, а на другом конце нагретый воздух изнутри труб выходит в другой комплект воздуховодов, который подает его в топку котла для сгорания.
Трубчатые воздуховоды подогревателя для холодного и горячего воздуха требуют больше места и структурных опор, чем конструкция вращающегося подогревателя. Кроме того, из-за содержания пыли в абразивных дымовых газах трубы за пределами воздуховода изнашиваются быстрее на стороне, обращенной к потоку газа. Для устранения этой проблемы было сделано множество достижений, таких как использование керамики и закаленной стали.
Многие новые парогенераторы с циркулирующим псевдоожиженным слоем (CFB) и барботажным псевдоожиженным слоем (BFB) в настоящее время включают в себя трубчатые воздухонагреватели, что дает преимущество по сравнению с движущимися частями вращающегося типа.
Коррозия точки росы возникает по разным причинам. [8] [9] Факторами, способствующими этому, являются тип используемого топлива, содержание в нем серы и влаги. Однако наиболее значимым фактором коррозии точки росы является температура металла труб. Если температура металла внутри трубок падает ниже температуры насыщения кислотой, обычно между 190 °F (88 °C) и 230 °F (110 °C), но иногда и до 260 °F (127 °C) , то риск повреждения коррозией точки росы становится значительным.
Существует два типа регенеративных подогревателей воздуха: регенеративные подогреватели воздуха с вращающимися пластинами (RAPH) и регенеративные подогреватели воздуха со стационарными пластинами (Rothemuhle). [1] [2] [3] [10]
Конструкция с вращающейся пластиной (RAPH) [2] состоит из центрального элемента вращающейся пластины, установленного внутри корпуса, который разделен на две части ( двухсекторный тип), три ( трехсекторный тип) или четыре ( четырехсекторный тип). сектора, содержащие уплотнения вокруг элемента. Уплотнения позволяют элементу вращаться во всех секторах, но сводят к минимуму утечку газа между секторами, обеспечивая при этом отдельные пути газа, воздуха и дымовых газов через каждый сектор.
Трехсекторные типы являются наиболее распространенными на современных объектах электроэнергетики. [12] В трехсекторной конструкции самый большой сектор (обычно занимающий около половины поперечного сечения корпуса) соединен с выходом горячего газа котла. Горячий выхлопной газ проходит через центральный элемент, передавая часть своего тепла элементу, а затем отводится для дальнейшей обработки в пылесборниках и другом оборудовании перед выбросом из дымовой трубы . Во второй, меньший сектор, окружающий воздух подается вентилятором , который проходит над нагретым элементом при его вращении в сектор и нагревается перед подачей в топку котла для сгорания. Третий сектор самый маленький и нагревает воздух, который подается в пульверизаторы и используется для подачи угольно-воздушной смеси к горелкам угольных котлов. Таким образом, общий воздух, нагретый в РАПХ, обеспечивает: нагрев воздуха для удаления влаги из пылеугольной пыли, воздух-носитель для транспортировки пылеугольного топлива к горелкам котла и первичный воздух для горения.
Сам ротор является средством теплопередачи в этой системе и обычно состоит из стальной и/или керамической конструкции той или иной формы. Он вращается довольно медленно (около 1-2 об/мин ), чтобы обеспечить оптимальную передачу тепла сначала от горячих выхлопных газов к элементу, а затем, по мере вращения, от элемента к более холодному воздуху в других секторах.
В этой конструкции весь корпус воздухоподогревателя опирается на саму опорную конструкцию котла с необходимыми компенсаторами в воздуховодах.
Вертикальный ротор опирается на упорные подшипники на нижнем конце и имеет смазку в масляной ванне, охлаждаемую водой, циркулирующей в змеевиках внутри масляной ванны. Такое расположение предназначено для охлаждения нижнего конца вала, поскольку этот конец вертикального ротора находится на горячем конце воздуховода. Верхний конец ротора имеет простой роликовый подшипник, удерживающий вал в вертикальном положении.
Ротор установлен на вертикальном валу с радиальными опорами и сепараторами для удержания корзин в нужном положении. Также предусмотрены радиальные и окружные уплотнительные пластины, позволяющие избежать утечек газов или воздуха между секторами или между воздуховодом и корпусом во время вращения.
Для оперативной очистки корзин от отложений предусмотрены струи пара, благодаря чему выдуваемая пыль и зола собираются в нижнем золоуловителе воздухоподогревателя. Этот пылесборник подключается для опорожнения вместе с основными пылесборниками пылесборников.
Ротор приводится в движение двигателем с пневматическим приводом и зубчатой передачей, и его необходимо запустить перед запуском котла, а также поддерживать во вращении в течение некоторого времени после остановки котла, чтобы избежать неравномерного расширения и сжатия, приводящего к деформации или растрескиванию ротора. ротор. Воздух на станции, как правило, полностью сухой (для приборов требуется сухой воздух), поэтому в воздух, используемый для привода ротора, впрыскивается масло для смазки пневматического двигателя.
Предусмотрены защищенные безопасностью смотровые окна для наблюдения за внутренней работой подогревателя при любых условиях эксплуатации.
Корзины находятся в секторных корпусах, предусмотренных на роторе, и являются возобновляемыми. Срок службы корзин зависит от абразивности золы и коррозионной активности газов на выходе из котла.
Дымовые газы котла содержат множество частиц пыли (из-за высокой зольности), не способствующих горению, например кремнезема, которые вызывают абразивный износ корзин, а также могут содержать агрессивные газы в зависимости от состава топлива. Например, индийские угли обычно приводят к высокому содержанию золы и кремнезема в дымовых газах. Таким образом, износ корзин обычно больше, чем у других, более экологически чистых видов топлива.
В этом RAPH запыленные коррозийные котловые газы должны проходить между элементами корзин подогревателя воздуха. Элементы состоят из зигзагообразных гофрированных пластин, запрессованных в стальную корзину, обеспечивающую достаточное кольцевое пространство между ними для прохождения газа. Эти пластины имеют гофрированную форму, чтобы обеспечить большую площадь поверхности для поглощения тепла, а также для придания жесткости при укладке их в корзины. Следовательно, требуются частые замены, и новые корзины всегда находятся наготове. Вначале в качестве элементов использовалась сталь Cor-ten . Сегодня благодаря технологическому прогрессу многие производители могут использовать собственные патенты. Некоторые производители поставляют разные материалы для использования элементов, чтобы продлить срок службы корзин.
В некоторых случаях несгоревшие отложения могут образовываться на элементах воздухоподогревателя, вызывая его возгорание во время нормальной работы котла, что приводит к взрывам внутри воздухоподогревателя. Иногда легкие взрывы могут быть обнаружены в диспетчерской по изменению температуры воздуха на входе и выходе для горения.
Нагревательные пластинчатые элементы в этом типе регенеративного подогревателя воздуха также установлены в корпусе, но нагревательные пластинчатые элементы являются стационарными, а не вращающимися. Вместо этого воздуховоды в подогревателе поворачиваются так, чтобы поочередно подвергать секции нагревательных пластинчатых элементов воздействию восходящего холодного воздуха. [1] [2] [3]
Как показано на соседнем чертеже, в нижней части неподвижных пластин имеются вращающиеся впускные воздуховоды, аналогичные вращающимся выпускным воздуховодам в верхней части неподвижных пластин. [13]
Стационарные пластинчатые регенеративные воздухоподогреватели, также известные как подогреватели Rothemuhle, производятся более 25 лет компанией Balke-Dürr GmbH из Ратингена , Германия .
Регенератор состоит из кирпичной решетчатой структуры: кирпичи, уложенные с промежутками, равными ширине кирпича, между ними, так что воздух может относительно легко проходить через решетчатую решетку . Идея состоит в том, что горячие выхлопные газы, проходя через решетку, отдают тепло кирпичам. Затем поток воздуха меняется на противоположный, так что горячие кирпичи нагревают поступающий воздух для горения и топливо. В стекловаренной печи регенератор расположен по обе стороны от печи, часто образуя единое целое. В доменной печи регенераторы (обычно называемые печами Каупера ) располагаются отдельно от печи. Для печи нужно не менее двух печей, но можно и три. Одна из печей работает «на газе», получая горячие газы из колошника и нагревая насадку внутри, а другая работает «на дутье», получая холодный воздух от воздуходувок, нагревая его и подавая в доменную печь.