ELEKTROWNIE_W3.pdf

3. KOTýY PAROWE

3.1. Klasyfikacja i podstawowe parametry kotłów

Podział kotłów

Podziału kotłów moŜna dokonać w zaleŜności od róŜnych czynników, m.in.:

• przeznaczenia (miejsca wykorzystania):

energetyczne (elektrownie duŜej mocy),

przemysłowe (ciepłownie i elektrociepłownie przemysłowe),

grzewcze (ciepłownie lokalne);

• postaci wyjściowej czynnika roboczego:

wodne,

parowe (para nasycona, para przegrzana);

• rodzaju paleniska:

warstwowe (z rusztem stałym, z rusztem ruchomym, narzutowe),

fluidalne (stacjonarne i cyrkulacyjne),

komorowe (pyłowe, olejowe, gazowe);

• konstrukcji głównej powierzchni ogrzewalnej:

płomienicowe,

płomienicowopłomieniówkowe,

wodnorurowe;

• liczby ciągów (nawrotów) spalin:

jednociągowe (wieŜowe),

dwuciągowe,

wielociągowe;

• postaci odprowadzanego ŜuŜla:

ze stałym odprowadzaniem ŜuŜla,

z ciekłym odprowadzaniem ŜuŜla;

• obiegu wody:

z obiegiem naturalnym,

wspomaganym,

wymuszonym,

przepływowym.

NajwaŜniejsze pojęcia i wielkości charakteryzujące kotły:

Powierzchnia ogrzewalna jest to powierzchnia ścian omywanych (ogrzewanych) bezpośrednio

z jednej strony spalinami, a z drugiej strony chłodzona wodą, parą lub powietrzem; powierzchnię tę

mierzy się po stronie spalin.

Pojemność wodna jest to objętość wody zawartej w kotle w znamionowych warunkach pracy

kotła.

Przestrzeń parowa jest to przestrzeń w kotle, którą wypełnia para.

NajniŜszy poziom wody jest to ten poziom wody, przy którym kocioł będący w eksploatacji nie

ulegnie uszkodzeniu wskutek zmniejszonego przepływu czynnika chłodzącego w rurach parownika.

NajwyŜszy poziom wody jest to poziom, przy którym para na wylocie z walczaka ma przepisaną

wilgotność.

Ciśnienie obliczeniowe danego elementu kotła jest to najwyŜsze ciśnienie czynnika roboczego,

jakie moŜe działać na jego ścianki w czasie eksploatacji, jednak bez uwzględnienia chwilowego

wzrostu ciśnienia w czasie działania zaworów bezpieczeństwa.

Ciśnienie dopuszczone danego elementu kotła jest to najwyŜsze ciśnienie, na które dany element

został dopuszczony do eksploatacji przez organy dozoru technicznego.

Wydajność kotła wyraŜa strumień czynnika roboczego na wylocie z kotła o określonych

parametrach: ciśnieniu i temperaturze. Z pojęciem wydajności kotła wiąŜą się pojęcia wydajności

znamionowej , ekonomicznej i maksymalnej trwałej oraz minimum techniczne wydajności.

Minimum techniczne wydajności jest to taka minimalna wydajność kotła, przy której procesy w

kotle (spalania oraz cyrkulacji) przebiegają jeszcze stabilnie. Dla kotłów grzewczych wydajność

kotła wyraŜa się mocą cieplną.

ObciąŜenie cieplne powierzchni ogrzewalnej określa strumień ciepła przejmowany przez l m 2

powierzchni.

ObciąŜenie komory paleniskowej określa strumień ciepła doprowadzony do l m 3 objętości

komory paleniskowej.

ObciąŜenie przekroju komory paleniskowej określa strumień ciepła przypadający na l m 2

powierzchni przekroju poprzecznego komory paleniskowej.

Woda zasilająca jest to woda tłoczona przez pompę wody zasilającej do kotła.

Woda kotłowa jest to woda znajdująca się w kotle podczas jego pracy; woda ta ma większą

zawartość soli niŜ woda zasilająca.

3.2. Instalacja kotłowa

Instalacją kotłową nazywa się zespół urządzeń słuŜących do wytwarzania pary wodnej za pomocą

przemiany energii chemicznej paliwa w ciepło. Instalacja kotłowa składa się z:

kotła właściwego,

urządzeń pomocniczych.

Do urządzeń pomocniczych w zaleŜności od rodzaju kotła zaliczają się:

wentylatory powietrza,

wentylatory spalin,

wentylatory młynowe i uszczelniające,

pompy zasilające i przewałowe,

urządzenia do transportu i przygotowania paliwa do spalania (podajniki węgla, młyny),

urządzenia do usuwania ŜuŜla i popiołu,

urządzenia do odpylania spalin,

aparatura kontrolnopomiarowa,

urządzenia do sterowania procesami w kotle.

W przypadku kotłów rusztowych węgiel z zasobnika przykotłowego 1 (rys. 3.1) jest dostarczany

bezpośrednio na ruszt. W kotłach o duŜej wydajności stosuje się paleniska pyłowe (rys. 3.2).

Węgiel z zasobników jest podawany za pomocą podajników węgla 2 , których zadaniem jest

regulowanie strumienia węgla do młynów 3 , skąd w postaci pyłu dostarcza się go wraz z

powietrzem do kotła. Proces spalania zachodzi w palenisku (w komorze paleniskowej).

W wyniku spalania paliwa jego energia chemiczna zamienia się w ciepło, które jest przekazywane

wodzie i parze. Wymiana ciepła między produktami spalania a wodą i parą odbywa się za

pośrednictwem tzw. powierzchni ogrzewalnych :

opromieniowanych (wymiana ciepła na drodze promieniowania)

konwekcyjnych (wymiana ciepła na drodze konwekcji).

Temperatura spalin w komorze paleniskowej w zaleŜności od rodzaju paleniska i spalanego paliwa

wynosi 1900800°C i jest odpowiednio niŜsza poza nią. Zatem jest znacznie wyŜsza od

dopuszczalnej dla danych gatunków stali, z których są wykonywane powierzchnie ogrzewalne.

Dlatego wymaga intensywnego chłodzenia przez wodę i parę ; osiąga się to przez ciągły przepływ

czynnika (wody, mieszaniny parowowodnej i pary) w poszczególnych powierzchniach

ogrzewalnych. Większość stosowanych kotłów ma tzw. obieg naturalny (cyrkulację naturalną), są

jednak konstrukcje, w których obieg wody jest wymuszony . Zachowanie wysokiej

przejmowalności ciepła od ścianek rur przez wodę, co zapewnia dobre chłodzenie rur kotłowych,

wymaga duŜej czystości wewnętrznych ścianek rur . WiąŜe się to z koniecznością chemicznego

preparowania wody zasilającej, polegającego na pozbawieniu jej zawartości soli tworzących tzw.

kamień kotłowy .

Rys. 3.1. Schemat instalacji kotłowej z kotłem rusztowym

1 przykotłowy zasobnik węgla; 2 zsyp węgla na ruszt taśmowy; 3 komora paleniskowa; 4 odpylacz cyklonowy;

5 wentylator spalin; 6 komin; 7 wentylator powietrza; 8 odprowadzenie ŜuŜla; 9 odprowadzenie popiołu

Rys. 3.2. Schemat instalacji kotłowej z kotłem pyłowym

1 przykotłowy zasobnik węgla; 2 podajnik węgla; 3 młyn węglowy; 4 komora paleniskowa; 5 wentylator

powietrza; 6 wentylator młynowy; 7 podgrzewacz powietrza; 8 odpylacz elektrostatyczny (elektrofiltr); 9

wentylator spalin; 10 komin

Spaliny po oczyszczeniu w urządzeniu odpylającym w odpylaczach bezwładnościowych

cyklonowych (w przypadku kotłów rusztowych), filtrach tkaninowych bądź w elektrofiltrach

są wyciągane przez wentylatory spalin (ciągu) i wyrzucane do komina. Pozostałość po spaleniu:

ŜuŜel i popiół oraz wytrącony w odpylaczu pył są usuwane z kotła za pomocą specjalnych urządzeń.

Zachodzące w instalacji kotłowej procesy moŜna rozdzielić na dwa zasadnicze układy (ciągi)

technologiczne:

układ paliwopowietrzespaliny

układ wodnoparowy.

3.3. Spalanie paliw stałych w kotłach energetycznych

NiezaleŜnie od sposobu spalania paliwa stałego w palenisku rusztowym czy teŜ w palenisku

pyłowym moŜna wyróŜnić pewne cechy wspólne. Proces spalania paliwa zaczyna się z chwilą

odparowania wilgoci (wysuszenia węgla) i doprowadzenia do temperatury zapłonu . W pierwszej

fazie następuje rozpad masy palnej i wydzielenie części lotnych. Lotne węglowodory ulegają

przemianom w CO i H 2 . W tej fazie następuje zapłon i spalenie części lotnych na CO 2 i H 2 O.

Pozostałość stała z rozpadu (koks) zapala się później i spala się na CO 2 poprzez fazę pośrednią CO.

Na rysunku 3.3 przedstawiono uproszczony schemat spalania paliwa stałego. Powietrze 14 ,

wstępnie podgrzane wylotowymi spalinami 15 z kotła w podgrzewaczu powietrza 16 , jest

rozdzielone na dwie części:

powietrze pierwotne 2 ,

powietrze wtórne 3 .

W przypadku kotłów pyłowych powietrze pierwotne jest doprowadzane do młynów węglowych

jako czynnik podgrzewający (suszący) węgiel i transportujący pył węglowy do palników. W

przypadku węgli zawierających duŜo wilgoci (węgiel brunatny, muł itp.) dodatkowo jako czynnik

suszący wykorzystuje się gorące spaliny 4 pobrane z komory paleniskowej. W kotłach rusztowych

powietrze pierwotne jest dostarczane pod ruszt. Całkowity strumień powietrza dostarczanego do

komory paleniskowej wynika z zapotrzebowania na powietrze niezbędne do przeprowadzenia

zupełnego spalania paliwa, np. przy nadmiarze powietrza Λ = 1,2. Jednak, aby stworzyć dobre

warunki zapłonu pyłu, musi być odpowiednio duŜa koncentracja węgla w mieszance pyłowo

powietrznej, zatem mniejszy strumień powietrza z pyłem niŜ to wynika z warunku zupełnego

spalania. Dlatego dokonuje się rozdzielenia powietrza na pierwotne i wtórne. W paleniskach

niskoemisyjnych powietrze dzieli się na 3 strumienie.

Rys. 3.3. Uproszczony schemat spalania paliwa stałego

1 paliwo; 2 powietrze pierwotne; 3 powietrze wtórne; 4 spaliny suszące paliwo; 5 podgrzewanie paliwa,

odparowanie wilgoci; 6 częściowe odprowadzenie wilgoci (oparów); 7 pełne odparowanie wilgoci z paliwa i

sublimacja części lotnych; 8 zapłon części lotnych; 9 zapłon części stałych (koksu); 10 dalsze spalanie części

lotnych i stałych; 11 strumień ciepła z wnętrza komory paleniskowej do podgrzewania paliwa i spalania; 12

ochładzanie spalin (odbiór ciepła przez powierzchnie ogrzewalne); 13 recyrkulacja spalin; 14 powietrze

zimne; 15 spaliny wylotowe z kotła; 16 podgrzewanie powietrza

Wilgoć zawarta w mieszance pyłowopowietrznej utrudnia zapłon, dlatego w przypadku o duŜej

zawartości wilgoci następuje wstępna separacja wilgoci 6 (oparów). W ten sposób wzbogaca się

mieszankę pyłowopowietrzną. Temperatura pyłu węglowego bądź węgla dostarczanego na ruszt

jest niŜsza od temperatury zapłonu i dalsze podgrzewanie paliwa odbywa się z udziałem ciepła z

komory paleniskowej 11 . Zapłon paliwa z duŜą zawartością części lotnych nie jest trudny. Po

zapłonie paliwa następuje dalsze dostarczanie tlenu z powietrzem wtórnym – proces spalania staje

się bardzo intensywny. Jak juŜ wcześniej wspominano (pkt. 2.4), wstępne podgrzanie powietrza

wpływa na podwyŜszenie temperatury w komorze spalania. Natomiast wzrost nadmiaru powietrza Λ

obniŜa tę temperaturę.

3.4. Paleniska

Paleniska kotłowe moŜna podzielić na dwie zasadnicze grupy:

paleniska warstwowe (rusztowe)

paleniska komorowe.

Do palenisk warstwowych naleŜą: paleniska z ręcznym narzutem węgla z rusztem poziomym,

pochyłym lub schodkowym; paleniska częściowo zmechanizowane z mechanicznym narzucaniem

paliwa; paleniska zmechanizowane z rusztem taśmowym, posuwowym lub posuwowozwrotnym;

paleniska ze złoŜem fluidalnym.

Do palenisk komorowych naleŜą wszystkie paleniska pyłowe, olejowe i gazowe oraz ich

kombinacje.

Paleniska warstwowe (rusztowe)

Kotły z paleniskami rusztowymi są uŜywane w ciepłowniach i elektrociepłowniach

przemysłowych. Przykłady rusztów mechanicznych podano na rysunku 3.4.

Schemat spalania na ruszcie taśmowym , który jest obecnie najbardziej rozpowszechnionym

paleniskiem warstwowym, podano na rysunku 3.5. Taśma rusztowa jest napędzana przez koła

łańcuchowe, najczęściej przednie, których wał otrzymuje napęd od silnika elektrycznego z

regulowaną prędkością obrotową, bądź poprzez przekładnię z regulowaną prędkością. Prędkości

przesuwu rusztu wynoszą 100÷800 mm/min. Strumień spalanego paliwa zsuwającego się na ruszt

samoczynnie moŜna regulować prędkością przesuwu rusztu oraz grubością warstwy paliwa, która

zaleŜnie od rodzaju paliwa moŜe wynosić 40÷150 mm . Grubość warstwy reguluje się przez

przesuwanie specjalnej warstwownicy 2 w płaszczyźnie pionowej. WzdłuŜ rusztu wyróŜnia się

cztery strefy: nagrzewania i suszenia 3 , odgazowywania 4 , zgazowywania 5 i dopalania paliwa

(ŜuŜel i popiół) 6 . Lepsze wypalanie pozostałości w ŜuŜlu zapewnia zgarniacz 7 , spiętrzający

warstwę na końcu rusztu . Dzięki stałemu ruchowi taśmy z paliwem poszczególne fazy procesu

spalania lokalizują się na kolejnych odcinkach taśmy rusztu. Odpowiednio do tego,

zapotrzebowanie powietrza 8 do spalania równieŜ zmienia się w kaŜdej fazie spalania. Poza tym

warstwa paliwa na ruszcie daje w róŜnych punktach inny opór przepływu powietrza. Dobre

spalanie, z minimalnym nadmiarem powietrza, moŜna uzyskać przez doprowadzenie powietrza

pierwotnego 9 do kilku (4÷8) oddzielnych stref rusztu . Dopływ powietrza do poszczególnych stref

jest regulowany klapami, stosownie do miejsca zapotrzebowania na nie. Zadaniem dysz powietrza

wtórnego 10 jest wymieszanie gazowych składników palnych z powietrzem, wydłuŜenie czasu

procesu spalania, co ogranicza tworzenie się tlenków azotu.

Zalety eksploatacyjne palenisk warstwowych:

niski koszt inwestycyjny ,

mogą pracować z małym obciąŜeniem (małe minimum techniczne kotła), zatem w szerokim

zakresie obciąŜeń ;

łatwe uruchamianie i odstawianie ;

nie wymagają zbyt wysoko kwalifikowanej obsługi;

mogą być eksploatowane przy niskim stopniu zautomatyzowania .

Wady eksploatacyjne palenisk warstwowych:

spiekanie się paliw na ruszcie , co powoduje, Ŝe powietrze dostarczane pod ruszt nie omywa

wszystkich cząstek węgla, powstaje przeto strata ciepła wskutek niecałkowitego spalania;

warstwa drobnego paliwa na ruszcie ma małą porowatość, co wzmaga ubijające działanie

warstwownicy , utrudnia przepływ powietrza przez warstwę; ponadto drobne cząsteczki

„przesiewają się" przez ruszt i niespalone są usuwane wraz z ŜuŜlem, powodując straty ciepła

wskutek niecałkowitego spalania;

mała szybkość zmiany obciąŜenia paleniska;

stosunkowo małe objętościowe obciąŜenie cieplne komory w porównaniu z paleniskami

pyłowymi.

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: