Введение

Обзор нормативных требований к котлам, а также оценка и сравнение различных видов топлива.

#Топливо для котлов

Наиболее распространённые виды топлива для паровых котлов — уголь, жидкое топливо и газ. Однако в некоторых котлах также используются промышленные или коммерческие отходы, а для электродных котлов — электроэнергия. Уголь Уголь — это общее название семейства твёрдых топлив с высоким содержанием углерода. В это семейство входит несколько типов угля, соответствующих различным стадиям углеобразования и различному содержанию углерода. Эти стадии следующие:

• Торф.
• Лигнит, или бурый уголь.
• Битуминозный уголь.
• Полубитуминозный уголь.
• Антрацит. В качестве котельного топлива чаще всего используют битуминозный уголь и антрацит. В Великобритании использование кускового угля для жаротрубных котлов сокращается. Это связано с рядом причин, в том числе: Доступность и стоимость — по мере истощения угольных пластов в Великобритании добывается меньше угля, чем раньше, и можно ожидать дальнейшего сокращения. Скорость реакции на изменение нагрузки — при использовании кускового угля между:
• возникновением потребности в тепле,
• подачей угля в котёл,
• воспламенением угля,
• и выработкой пара для покрытия нагрузки

существует существенная задержка. Чтобы компенсировать эту задержку, котлы, рассчитанные на сжигание угля, должны содержать больше воды при температуре насыщения, чтобы иметь запас энергии на время отклика. Это, в свою очередь, означает, что котлы становятся крупнее, дороже в приобретении и занимают больше полезного производственного пространства. Зола — при сжигании угля образуется зола. Золу бывает трудно удалять; обычно это требует ручного вмешательства и снижает количество доступного пара на время очистки. Затем золу необходимо утилизировать, что само по себе может быть дорого. Топочные устройства — существует ряд различных решений, включая ступенчатые, разбрызгивающие и цепнорешётные механические топки. Общее у них то, что все они требуют значительного технического обслуживания. Выбросы — уголь в среднем содержит 1,5% серы (S) по массе, но в зависимости от места добычи этот показатель может достигать 3%. В процессе горения:

• Сера соединяется с кислородом (O2) воздуха, образуя SO2 или SO3.
• Водород (H) топлива соединяется с кислородом (O2) воздуха, образуя воду (H2O). После завершения процесса горения SO3 соединяется с водой (H2O), образуя серную кислоту (H2SO4), которая может конденсироваться в дымоходе и вызывать коррозию, если не поддерживается правильная температура дымовых газов. Либо она выбрасывается в атмосферу вместе с дымовыми газами. Затем эта серная кислота возвращается на землю с дождём, вызывая:
• Повреждение строительных конструкций.
• Ущерб растениям и растительности. Образующаяся при сжигании угля зола лёгкая, и её часть неизбежно уносится с отходящими газами в дымовую трубу и выбрасывается в окружающую среду в виде твёрдых частиц. Тем не менее уголь по-прежнему используется в очень крупных водотрубных котлах электростанций. Из-за масштаба таких установок становится экономически целесообразно разрабатывать решения перечисленных выше проблем, а также может существовать государственное давление в пользу использования топлива внутреннего производства для обеспечения национальной энергетической безопасности.
• Уголь, используемый на электростанциях, размалывается в очень мелкий порошок, обычно называемый 'pulverised fuel' и сокращённо 'pf'.
• Небольшой размер частиц pf значительно увеличивает отношение площади поверхности к объёму, что делает горение очень быстрым и устраняет проблему медленного отклика, характерную для кускового угля.
• Малый размер частиц также означает, что pf течёт очень легко, почти как жидкость, и подаётся в топку котла через горелки, устраняя необходимость в механических топках, применяемых для кускового угля.
• Для дальнейшего повышения гибкости и диапазона регулирования котла по стенам и крыше топки может быть установлено более 30 горелок pf, каждая из которых регулируется отдельно для увеличения или уменьшения тепловыделения в определённой зоне топки. Например, для управления температурой пара на выходе из пароперегревателя. Что касается качества газов, выбрасываемых в атмосферу:
• Котловые газы направляются через электрофильтр, где электрически заряженные пластины притягивают золу и другие частицы, удаляя их из газового потока.
• Сернистые соединения удаляются в газоочистителе.
• Итоговый выброс в окружающую среду имеет высокое качество. При сжигании 1 кг угля можно получить примерно 8 кг пара. Жидкое топливо Жидкое котельное топливо получают из остатка сырой нефти после её перегонки для получения более лёгких фракций, таких как бензин, парафин, керосин, дизельное топливо или газойль. Существуют различные сорта, каждый из которых подходит для определённой производительности котлов; сорта следующие:
• Class D - Diesel or gas oil.
• Class E - Light fuel oil.
• Class F - Medium fuel oil.
• Class G - Heavy fuel oil. В Великобритании жидкое топливо начало конкурировать с углём как предпочтительное котельное топливо в 1950-х годах. Частично это было связано с поддержкой исследований по совершенствованию котельных установок со стороны тогдашнего Министерства топлива и энергетики. Преимущества жидкого топлива по сравнению с углём:
• Более короткое время отклика между появлением нагрузки и выработкой требуемого количества пара.
• Благодаря этому в котловой воде нужно аккумулировать меньше энергии. Следовательно, котёл может быть меньше, отдавать в окружающую среду меньше тепла и работать эффективнее.
• Меньшие размеры также означают, что котёл занимает меньше производственного пространства.
• Механические топки становятся не нужны, что снижает объём технического обслуживания.
• Жидкое топливо содержит лишь следы золы, практически устраняя проблему удаления и утилизации золы.
• Исчезают трудности, связанные с приёмкой, хранением и обращением с углём. Из 1 кг жидкого топлива можно получить примерно 15 кг пара, или около 14 кг пара из 1 литра топлива. Газ Газ — это вид котельного топлива, который легко сжигается и требует очень небольшого избытка воздуха. Топливные газы доступны в двух формах:
• Природный газ — газ, добываемый из подземных месторождений. Он используется в естественном состоянии (за исключением удаления примесей) и содержит высокую долю метана.
• Сжиженные углеводородные газы (LPG) — газы, получаемые при переработке нефти и хранящиеся под давлением в жидком состоянии до момента использования. Наиболее распространённые формы LPG — пропан и бутан. В конце 1960-х годов доступность природного газа (например, из месторождений Северного моря) привела к дальнейшему развитию котлов. Преимущества газового топлива по сравнению с жидким:
• Хранение топлива не является проблемой; газ подаётся в котельную по трубопроводу.
• В природном газе присутствуют лишь следы серы, поэтому количество серной кислоты в дымовых газах практически равно нулю. Из 1 Therm газа (эквивалент 105,5 MJ) можно получить примерно 42 кг пара для котла на 10 bar g при общей эксплуатационной эффективности 80%. Отходы как основное топливо Здесь есть два аспекта: Отходы как материал — отходы сжигаются для получения тепла, которое используется для генерации пара. Причинами могут быть безопасная и правильная утилизация опасных материалов. Хороший пример — больница:
• В таких условиях обеспечить правильное и полное сгорание отходов может быть сложно, что требует сложных горелок, регулирования соотношения воздух/топливо и контроля выбросов, особенно твёрдых частиц. Стоимость такой утилизации может быть высокой, и лишь часть расходов компенсируется использованием полученного тепла для выработки пара. Однако общая экономика схемы с учётом стоимости утилизации отходов другими способами может оказаться привлекательной.
• Использование отходов как топлива может также означать экономичное использование горючих отходов производственного процесса. Примеры: кора, снимаемая с древесины на бумажных комбинатах, стебли сахарного тростника (bagasse) и даже помёт с птицеферм. Процесс сжигания снова будет достаточно сложным, но общая экономика, связанная с утилизацией отходов и выработкой пара для других применений на площадке, может сделать такие схемы привлекательными. Вторичное тепло — горячие газы технологического процесса, например плавильной печи, могут направляться через котёл с целью повышения эффективности установки. Уровень сложности систем такого типа зависит от потребности объекта в паре. Если технологического потребления пара нет, пар можно перегревать и использовать для выработки электроэнергии. Такая технология становится популярной на установках Combined Heat and Power (CHP):
• Газовая турбина приводит генератор для выработки электроэнергии.
• Горячие (обычно около 500 °C) отработавшие газы турбины направляются в котёл, который производит насыщенный пар для использования на предприятии. Такие установки могут обеспечивать очень высокий КПД. Другими преимуществами могут быть либо повышенная надёжность собственного электроснабжения предприятия, либо возможность продавать электроэнергию в сеть по выгодной цене.

#Надёжность снабжения

Каковы последствия отсутствия пара для предприятия? Например, газ может поставляться по выгодному тарифу при условии, что допускается прерываемое снабжение. Это означает, что газовая компания поставляет топливо, пока у неё есть избыток. Однако если спрос на топливо приблизится к пределу доступного объёма, например из-за сезонных колебаний, подача может быть прекращена, возможно, в очень короткий срок. В качестве альтернативы пользователи котлов могут выбрать двухтопливные горелки, которые работают на газе, когда он доступен по более низкому тарифу, но имеют возможность переключения на жидкое топливо, когда газа нет. Очевидно, что двухтопливное решение требует больших капитальных затрат, а вероятность недоступности газа может быть невелика. Однако стоимость простоя производства из-за отсутствия пара обычно значительно выше дополнительных затрат.

#Хранение топлива

Это не является проблемой при использовании магистрального газа, за исключением случаев, когда применяется двухтопливная система. Однако по мере перехода к баллонному газу, лёгким и тяжёлым жидким топливам, а также твёрдому топливу вопрос хранения становится всё более важным. Ключевые вопросы включают:

• Сколько топлива нужно хранить и где.
• Как безопасно хранить высокогорючие материалы.
• Во сколько обходится поддержание температуры тяжёлых топлив, чтобы их вязкость оставалась пригодной для оборудования.
• Как точно измерять расход топлива.
• Как учитывать потери при хранении.

#Конструкция котла

Производитель котла должен учитывать используемое топливо при проектировании котла. Это связано с тем, что разные виды топлива дают разные температуры пламени и разные характеристики горения. Например:

• Жидкое топливо создаёт светящееся пламя, и значительная часть тепла передаётся излучением внутри топки.
• Газ создаёт прозрачное голубое пламя, и меньшая доля тепла передаётся излучением внутри топки. Если котёл спроектирован только для работы на жидком топливе, переход на газ может привести к тому, что в первый ход жаровых труб будут поступать газы более высокой температуры, вызывая дополнительные термические напряжения и ранний выход котла из строя.

#Типы котлов

Назначение котла заключается в следующем:

• Максимально эффективно высвободить энергию топлива.
• Максимально эффективно передать высвобожденную энергию воде и выработать пар.
• Отделить пар от воды и подготовить его к подаче на установку, где энергия будет как можно эффективнее передаваться технологическому процессу. Для различных применений пара разработан ряд разных типов котлов.