У багатьох випадках вибір палива визначається ціною та доступністю, тоді як вибір типу котла переважно залежати від капітальних видатків, величини і типу навантаження, а також від виду потрібного тепла, тобто гарячої води або пари і т.п.
2.4.3 Генерація тепла для безпосереднього використання
У багатьох галузях промисловості тепло, що отримане від спалювання первинних або вторинних енергоносіїв, використовується безпосередньо, оскільки для забезпечення технологічного процесу необхідні температури понад 3000С і вище. В таких випадках потреба у котлі відпадає, однак певне обладнання для цього все ж необхідне. Можна навести такі приклади:
- скловарна піч, що працює з використанням газу або нафти;
- вагранка для чавуна, що працює на коксі;
- електричні сталеплавильні печі;
- газові опалювальні прилади прямої дії.
Таблиця 6.
Типові ККД для котлів різного типу.
| ККД% | |
| Жаротрубні котли | |
| Газоконденсатні | 88–92 |
| Модульні з високим ККД | 80–82 |
| Жаротрубний котел для гарячої води | 78–80 |
| Жаротрубні котли для пари | 75–88 |
| Котли зворотного полум’я | 72–75 |
| Секційні котли з литого чавуну | 68–71 |
| Водотрубні котли | |
| Парогенератор | 75–78 |
| Водотрубні котли з економайзером | 75–78 |
Вибір палива зазвичай визначається вимогами технологічного процесу, зручністю регулювання подачі палива та іншими технічними питаннями, наприклад:
- тверде паливо не може застосовуватись у скловарних печах, оскільки згоряння відбувається безпосередньо над розплавленим склом, і тому твердий залишок (попіл) буде викликати забруднення скла;
- кокс використовується у вагранках, оскільки він необхідний для відновлювального процесу.
2.4.4 Прийняття рішення щодо вибору палива
Для прикладу розглянемо вимоги до системи опалення заводу, на якому необхідно забезпечити комфортну температуру в різних будівлях та офісах.
Це завдання може бути вирішене, використовуючи такі засоби:
- локальні газові опалювальні прилади;
- локальні електричні нагрівачі;
- повітряне опалення – використання повітря, нагрітого газом;
- повітряне опалення – використання повітря, нагрітого парою;
- повітряне опалення – радіатори.
В межах кожного варіанта існує багато можливостей конкретної реалізації, наприклад, центральне водяне опалення (з радіаторами). В даному випадку вода може нагріватись централізовано і подаватись насосом у кожну будівлю, пара може вироблятись і перетворюватись у гарячу воду в самій будівлі, або гаряча вода може вироблятись локально у кожній будівлі.
Припустімо, що прийняли рішення виробляти пару централізовано і потім розподіляти її по будівлях. Це означає, що на наступному етапі необхідно прийняти рішення про те, як виробляти пару.
2.4.5 Система виробництва пари
Основними елементами системи виробництва пари є:
- котельня;
- система розподілу пари;
- система повернення конденсату.
Загальний ККД традиційної системи подачі тепла у найкращому випадку не більший від 70% (якщо зіставляти тепло, що подане споживачу, з енергією, підведеною до трьох зазначених вище елементів). Переважно кінцева величина ККД може бути рівною 40% або менше, в залежності від конструкції системи розподілу і подачі тепла споживачам та якості її експлуатаційного і технічного обслуговування.
Більшість котлів, що використовуються у промисловості, працюють на газі або нафті (мазуті), хоча деякі великі котельні використовують і вугілля. Основними процесами у котельні є такі:
- підготовка палива;
- згоряння палива;
- тепловий обмін;
- парогенерація і конденсація.
2.4.5.1 Підготовка палива
Для газу вона полягає у тому, щоб подати його до пальника з необхідним тиском. Якщо тиск у магістралі низький, то використовують бустерний вентилятор для подачі газу через регулятори на пальники з (обертовими) чашками при тиску близько 100 см водяного стовпчика. Для запуску цього бустера потрібен невеликий електродвигун.
Підготовка нафти може бути більш складною, якщо використовуються важкі або середні фракції топкового мазуту, оскільки вони потребують підігріву. Якщо використовують газойль (він переважно необхідний як резервне паливо для періодів, коли відсутня подача газу), підігрів не потрібен. Для нагріву важких нафтопродуктів, зокрема топкового мазуту, потрібно від 2% до 5% теплоти пари, що виробляється котлом. Підігрів забезпечує:
– підтримку плинності у баку-накопичувачі (~400С), переважно це досягається за допомогою парового змійовика або випускним нагрівачем, який забезпечує рециркуляцію гарячого нафтопродукту;
– підвищення температури нафтопродукту (~550С) для зменшення в’язкості нафтового палива, що полегшує його перекачку до головки пальника, за допомогою парового або електричного випускного нагрівача, який встановлений знизу бака;
– збільшення температури (~1000С) для зниження в’язкості нафтового палива до оптимального рівня, що забезпечує утворення маленьких нафтових крапель, за допомогою ліній з паровим або електричним нагрівом.
До головки форсунки подають дещо більше нафтового палива, ніж це необхідно для підтримки правильного тиску, щоб мінімізувати розміри крапель.
Нагрів мазуту парою або електроенергією використовується для підтримки такої температури у лінії подачі палива, щоб виключити їх закупорку. Нафтове паливо також фільтрується на подвійних фільтрах для підвищення надійності роботи пальника.
Щодо затрат енергії для нагріву нафтового палива, то використання пари є вигіднішим ніж електроенергії, навіть незважаючи на прийняту практику зливу конденсату з системи нагріву у дренаж (щоб уникнути забруднення). Вартість тепла, що отримується від пари, становить половину або менше вартості електричної енергії. Однак електричну систему підігріву мазуту все одно необхідно встановлювати як резервну на випадки, коли пара не виробляється.
Системи, що працюють на важкому та середньому нафтовому паливі, можуть бути очищені та використані для роботи на газойлі у випадках, коли ці рідкі палива зберігаються як резервні для газових опалювальних систем.
Якщо котел працює на твердому паливі, то для роботи систем збагачення і транспортування вугілля використовують електричну енергію. Витрати залежать від того, чи транспорт вугілля в котел забезпечується електричними конвеєрами, чи фазовими повітряними. Фазові конвеєрні системи використовують розріджений або щільний повітряний потік. Фазові системи першого типу забезпечують транспорт при низькому тиску повітря, що створюється вентилятором. Фазові системи другого типу використовують стиснене повітря і є більш дорожчими в експлуатації. Вугілля потребує також затрат, пов’язаних з транспортом та видаленням попелу.
2.4.5.2 Процес згоряння палива у котлі
Керування процесом горіння є критичним фактором щодо отримання високого ККД і зменшення шкідливого впливу на довкілля. Процес горіння потребує достатньо кисню і ретельного змішування та контакту між паливом і киснем. Тому газ є найпростішим, а вугілля найскладнішим паливом з точки зору оптимізації процесів їх горіння.
Діапазон регулювання витрати для систем пальників (тобто відношення максимальної до мінімальної витрат палива) є кращим для рідких або газоподібних видів палива порівняно з твердим. Там, де значна кількість пари витрачається на опалення приміщень, необхідно мати ширший діапазон регулювання. Тому, якщо використовується один котел, вугілля як паливо непридатне. Там, де навантаження стабільніші, можливо спалювати вугілля більш ефективно, однак, в загальному, найкраще застосувати вугілля для живлення великих установок.
З точки зору впливу на природу, використання вугілля набагато шкідливіше внаслідок викидів SOx, пилу та твердих частинок, хоча теоретично викиди дрібних твердих часточок легко контролювати. Нафта теж шкідлива, тому що містить сірку, кількість якої змінюється від приблизно 0,8% для газойлю, до максимальної величини 3,5% для важкого нафтового палива. Нафтові палива з малим вмістом сірки (до 0,3%) цінуються вище, але найчистішим паливом є газ. Необхідність знижувати викиди СО2, NOx, SOx, а також пилу і дрібних твердих частинок, змушує багато компаній використовувати газові опалювальні котли з низьким вмістом NOx. Також розглядаються системи для видалення SOx в димарях під час роботи на нафті в комплексі з рекуператорами тепла, щоб зробити котли більш конкурентними. Застосування систем рекуперації обмежене, оскільки температура тепла, що отримується, є відносно низькою і потрібні спеціальні засоби для її ефективного використання.
2.4.5.3 Пальники
Існують два основні типи газових пальників:
- низького тиску;
- високого тиску.
У пальниках першого типу стиснене повітря виштовхує газ у повітряний потік, де відбувається грубе перемішування. В пальниках високого тиску і повітря і газ подаються до сопла під тиском, що сприяє більш ефективному змішуванню, і забезпечує контроль над формою і довжиною полум’я. Системи пальників високого тиску є найбільш гнучкими і можуть мати дуже великі діапазони регулювання витрати (для котельні типовим є діапазон 5:1).
Нафтові форсунки для котлів бувають трьох видів:
- струменеві з надлишковим тиском;
- з розпилювачем повітря або пари;
- з чашкою, що обертається.
Струменеві форсунки з надлишковим тиском засмічуються і мають діапазон регулювання витрати всього 2:1. Форсунки з розпилювачем повітря або пари особливо придатні для важкої нафти, вони мають діапазон регулювання 4:1, однак споживають більше енергії, щоб створити розпилене середовище. Форсунка з чашкою, що обертається, працює за рахунок створення тонкого шару нафти на чашці під час її обертання. При цьому нафта розпилюється при проходженні через край чашки, де вона стикається з повітрям, яке примусово подається. Така форсунка має діапазон регулювання більший від 4:1 і потребує більш низьких температур в порівнянні з іншими видами форсунок.