Воздухоподогреватель — это любое устройство , предназначенное для нагрева воздуха перед другим процессом (например, сжиганием в котле), с основной целью повышения тепловой эффективности процесса. Они могут использоваться отдельно или для замены рекуперативной тепловой системы или парового змеевика.
В частности, в этой статье описываются подогреватели воздуха для горения, используемые в больших котлах, установленных на тепловых электростанциях, вырабатывающих электроэнергию, например, из ископаемого топлива , биомассы или отходов . [1] [2] [3] [4] [5] Например, поскольку подогревателю воздуха Ljungström приписывают экономию топлива во всем мире, оцениваемую в 4 960 000 000 тонн нефти , «немногие изобретения были столь же успешными в экономии топлива, как подогреватель воздуха Ljungström», отмеченный Американским обществом инженеров-механиков как 44-я Международная историческая достопримечательность машиностроения . [ 6]
Целью воздухоподогревателя является рекуперация тепла из дымовых газов котла , что повышает тепловой КПД котла за счет снижения потерь полезного тепла в дымовых газах. В результате дымовые газы также транспортируются в дымовую трубу (или дымоход ) при более низкой температуре, что позволяет упростить конструкцию системы транспортировки и дымовой трубы. Он также позволяет контролировать температуру газов, выходящих из дымовой трубы (например, для соблюдения норм выбросов). Он устанавливается между экономайзером и дымоходом.
Существует два типа воздухоподогревателей для использования в парогенераторах на тепловых электростанциях : один — трубчатый, встроенный в дымоход котла, а другой — регенеративный воздухоподогреватель. [1] [2] [7] Они могут быть расположены так, чтобы газ протекал горизонтально или вертикально поперек оси вращения.
Другим типом воздухоподогревателя является регенератор, используемый в производстве чугуна и стекла.
Трубчатые подогреватели состоят из прямых трубных пучков, которые проходят через выпускной воздуховод котла и открываются на каждом конце снаружи воздуховода. Внутри воздуховода горячие топочные газы проходят вокруг труб подогревателя, передавая тепло от отработавших газов воздуху внутри подогревателя. Окружающий воздух нагнетается вентилятором через воздуховод на одном конце труб подогревателя, а на другом конце нагретый воздух изнутри труб выходит в другой набор воздуховодов, который переносит его в топку котла для сжигания.
Трубчатые воздуховоды подогревателя для холодного и горячего воздуха требуют больше места и структурных опор, чем конструкция вращающегося подогревателя. Кроме того, из-за абразивных дымовых газов, содержащих пыль, трубы снаружи воздуховода изнашиваются быстрее на стороне, обращенной к газовому потоку. Было сделано много достижений для устранения этой проблемы, например, использование керамики и закаленной стали.
В настоящее время многие новые парогенераторы с циркулирующим кипящим слоем (ЦКС) и барботажным кипящим слоем (БКС) оснащены трубчатыми воздухоподогревателями, что обеспечивает преимущество по сравнению с движущимися частями роторного типа.
Коррозия в точке росы возникает по разным причинам. [8] [9] Тип используемого топлива, содержание серы и влаги в нем являются способствующими факторами. Однако, безусловно, наиболее значимым фактором коррозии в точке росы является температура металла трубок. Если температура металла внутри трубок падает ниже температуры насыщения кислотой, обычно между 190 °F (88 °C) и 230 °F (110 °C), но иногда и при температурах до 260 °F (127 °C), то риск повреждения коррозией в точке росы становится значительным.
Существует два типа регенеративных воздухоподогревателей: регенеративные воздухоподогреватели с вращающимися пластинами (RAPH) и регенеративные воздухоподогреватели со стационарными пластинами (Rothemuhle). [1] [2] [3] [10]
Конструкция вращающейся пластины (RAPH) [2] состоит из центрального вращающегося пластинчатого элемента, установленного в корпусе, который разделен на два ( тип двухсекторный ), три ( тип трехсекторный ) или четыре ( тип четырехсекторный ) сектора, содержащие уплотнения вокруг элемента. Уплотнения позволяют элементу вращаться через все сектора, но сводят к минимуму утечку газа между секторами, обеспечивая при этом отдельные пути газа, воздуха и дымовых газов через каждый сектор.
Типы трехсекторов являются наиболее распространенными в современных электростанциях. [12] В конструкции трехсекторов самый большой сектор (обычно охватывающий около половины поперечного сечения корпуса) соединен с выходом горячего газа котла. Горячий отходящий газ протекает через центральный элемент, передавая часть своего тепла элементу, а затем отводится для дальнейшей обработки в пылеуловителях и другом оборудовании перед выбросом из дымовой трубы . Второй, меньший сектор, питается окружающим воздухом с помощью вентилятора , который проходит над нагретым элементом, вращаясь в секторе, и нагревается перед тем, как попасть в топку котла для сжигания. Третий сектор является самым маленьким и нагревает воздух, который направляется в измельчители и используется для переноса угольно-воздушной смеси к горелкам угольного котла. Таким образом, общий воздух, нагретый в RAPH, обеспечивает: нагревательный воздух для удаления влаги из пылевидной угольной пыли, транспортирующий воздух для транспортировки пылевидного угля к горелкам котла и первичный воздух для сжигания.
Сам ротор является средством теплопередачи в этой системе и обычно состоит из какой-либо формы стальной и/или керамической структуры. Он вращается довольно медленно (около 1-2 об/мин ), чтобы обеспечить оптимальную теплопередачу сначала от горячих выхлопных газов к элементу, а затем , по мере вращения, от элемента к более холодному воздуху в других секторах.
В данной конструкции весь корпус воздухоподогревателя опирается на саму несущую конструкцию котла с необходимыми компенсаторами в воздуховодах.
Вертикальный ротор поддерживается на упорных подшипниках на нижнем конце и имеет смазку в масляной ванне, охлаждаемую водой, циркулирующей в змеевиках внутри масляной ванны. Такая компоновка предназначена для охлаждения нижнего конца вала, поскольку этот конец вертикального ротора находится на горячем конце воздуховода. Верхний конец ротора имеет простой роликовый подшипник для удержания вала в вертикальном положении.
Ротор собран на вертикальном валу с радиальными опорами и клетками для удержания корзин в нужном положении. Также предусмотрены радиальные и кольцевые уплотнительные пластины для предотвращения утечек газов или воздуха между секторами или между каналом и корпусом во время вращения.
Для оперативной очистки отложений из корзин предусмотрены паровые форсунки, так что выдуваемая пыль и зола собираются в нижнем зольном бункере воздухоподогревателя. Этот пылевой бункер соединен для опорожнения с основными пылевыми бункерами пылеуловителей.
Ротор приводится в движение двигателем с воздушным приводом и зубчатой передачей, и его необходимо запустить перед запуском котла, а также поддерживать вращение в течение некоторого времени после остановки котла, чтобы избежать неравномерного расширения и сжатия, приводящего к деформации или растрескиванию ротора. Воздух станции, как правило, полностью сухой (сухой воздух требуется для приборов), поэтому воздух, используемый для привода ротора, впрыскивается с маслом для смазки пневмодвигателя.
Для наблюдения за внутренней работой подогревателя при любых условиях эксплуатации предусмотрены защищенные смотровые окна.
Корзины находятся в отсеках секторов, предусмотренных на роторе, и являются сменными. Срок службы корзин зависит от абразивности золы и коррозионной активности газов на выходе из котла.
Дымовой газ котла содержит много частиц пыли (из-за высокого содержания золы), не способствующих горению, таких как кремний, который вызывает абразивный износ корзин, а также может содержать едкие газы в зависимости от состава топлива. Например, индийские угли обычно приводят к высокому содержанию золы и кремния в дымовых газах. Износ корзин, таким образом, обычно больше, чем у других, более чисто сгораемых видов топлива.
В этом RAPH пылевые, едкие котельные газы должны проходить между элементами корзин воздухоподогревателя. Элементы состоят из зигзагообразных гофрированных пластин, запрессованных в стальную корзину, что обеспечивает достаточное кольцевое пространство между ними для прохождения газа. Эти пластины гофрированы, чтобы обеспечить большую площадь поверхности для поглощения тепла, а также придать ему жесткость для укладки их в корзины. Поэтому требуются частые замены, и новые корзины всегда держат наготове. В первые дни для элементов использовалась сталь Cor-ten . Сегодня благодаря технологическому прогрессу многие производители могут использовать собственные патенты. Некоторые производители поставляют различные 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 небольшие взрывы могут быть обнаружены в диспетчерской по изменению входной и выходной температуры воздуха для горения.
Элементы нагревательной пластины в этом типе регенеративного воздухоподогревателя также установлены в кожухе, но элементы нагревательной пластины неподвижны, а не вращаются. Вместо этого воздуховоды в подогревателе вращаются таким образом, чтобы поочередно подвергать секции элементов нагревательной пластины восходящему потоку холодного воздуха. [1] [2] [3]
Как показано на соседнем рисунке, 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 уже более 25 лет компанией Balke-Dürr GmbH из Ратингена , Германия .
Регенератор состоит из кирпичной насадки: кирпичи уложены с зазорами , эквивалентными ширине кирпича между ними, так что воздух может относительно легко проходить через насадку. Идея заключается в том, что когда горячие отходящие газы проходят через насадку, они отдают тепло кирпичам. Затем поток воздуха меняется на противоположный, так что горячие кирпичи нагревают входящий воздух для горения и топливо. Для стекловаренной печи регенератор располагается по обе стороны от печи, часто образуя единое целое. Для доменной печи регенераторы (обычно называемые кауперовскими печами ) располагаются отдельно от печи. Для печи требуется не менее двух печей, но может быть и три. Одна из печей работает «на газе», получая горячие газы с верха печи и нагревая насадку внутри, в то время как другая работает «на дутье», получая холодный воздух от воздуходувок, нагревая его и передавая в доменную печь.