Котлы-утилизаторы за обжиговыми печами серного колчедана

При обжиге колчеданов получают два продукта: металл и диоксид серы. При содержании SO₂ в продуктах сгорания более 7% становится рентабельным получение из газов серной кислоты. Поэтому достаточно часто сернокислотное производство входит в состав предприятий цветной металлургии.

Схема энерготехнологического агрегата (ЭТА) для низкотемпературного обжига колчедана в кипящем слое [5] показана на рис. 2.7. В кипящем слое обжигаемого материала установлены испарительные (либо пароперегревательные) поверхности нагрева, отнимающие избыточную теплоту и обеспечивающие бесшлаковочную работу слоя. Поверхности нагрева, находящиеся в кипящем слое, работают с высоким коэффициентом теплоотдачи ~230-350 Вт/(м²×К). Эти поверхности объединены с котельной установкой, использующей теплоту отходящих газов. После энерготехнологической установки обжиговые газы поступают в технологические аппараты для дальнейшей переработки, а полученный пар используется для выработки электроэнергии и на технологические нужды. Котлы, устанавливаемые за обжиговыми печами кипящего слоя, имеют следующие особенности:

· высокое содержание SO₂ в продуктах сгорания приводит к необходимости работы при давлении пара не мене 4 МПа (температура кипения воды соответственно 250 °С), чтобы предотвратить сернокислотную коррозию поверхностей нагрева;

· по этой же причине данные котлы не комплектуются экономайзерами;

· технологические газы содержат фтор, мышьяк, цинк, свинец, высокое содержание SO₂ приводит к сульфатизации отложений на поверхностях нагрева;

· при пусках и остановах котлов возможна конденсация серной кислоты и усиленная сернокислотная коррозия.

Ранее для установки за обжиговыми печами серного колчедана применялись ширмовые КУ с принудительной циркуляцией пароводяной смеси: УККС-8/40-2, УККС-6/40. УККС-4/40. Однако из-за неполадок с котлом в связи с заносами поверхностей нагрева огарковой пылью и отсутствия эффективных средств очистки, а также неполадок с циркуляционными насосами эти КУ были сняты с производства и заменены водотрубными котлами с естественной циркуляцией типа КС-ВТКУ.

Рис. 2.7. Схема ЭТА для обжига колчедана в кипящем слое:

1 - печь с кипящим слоем; 2 - испаритель, размещенный в кипящем слое;

3 - котел-утилизатор

 

Кроме рассмотренных паровых котлов в сернокислотном производстве, используют также выпускавшиеся ранее газотрубные котлы на отходящих газах с естественной циркуляцией ГТКУ (газотрубный КУ) типов: ГТКУ-6/40б.п., ГТКУ-10/40 (рис. 2.8) и ГТКУ-25/40. Это котлы барабанного типа с естественной циркуляцией. Испарительные поверхности – газотрубные секции, выполненные по типу труба в трубе диаметром 133×4 и 102×6 мм. Газы проходят по внутренней трубе меньшего диаметра, в межтрубном пространстве движется теплоноситель. Пароперегреватель расположен в кипящем слое. Данные котлы имели сравнительно высокую аварийность. Аварии были вызваны несовершенством удаления огарка, а также интенсивным золовым заносом испарительных поверхностей. Заносы были обусловлены повышением температуры газов перед котлом до 1000-1050 °С и размягчением уносимого огарка. Часть аварий связана с эрозионным износом охлаждающих элементов в кипящем слое.

Котлы типа КС-200 ВТКУ (рис. 2.9) и КС-450 ВТКУ устанавливают за печами обжига серного колчедана в кипящем слое производительностью по колчедану соответственно 200 и 450 т/сут. Котлы однобарабанные, водотрубные с естественной циркуляцией. Для создания условий, необходимых для проведения технологического процесса, часть испарительной поверхности и пароперегреватель установлены в кипящем слое; они обеспечивают снижение температуры слоя до 850-900 °С.

Котел, использующий теплоту отходящих газов, водотрубный, однобарабанный, с естественной циркуляцией. Основная испарительная поверхность нагрева котла выполнена в виде цельносварной радиационно-конвективной шахты с испарительными ширмами. Ширма выполнена из труб диаметром 38х5 мм, соединенных замкнутыми коллекторами. В шахте расположены 22 испарительные вертикальные ширмы. В верхней и нижней частях ширм трубы подсоединены к вертикальным коллекторам, которые в свою очередь присоединены к нижнему и верхнему замкнутым коллекторам. Коллекторы соединены опускными и подъемными трубами с барабаном котла. С барабаном соединены также испарительные поверхности нагрева, которые расположены в кипящем слое. Змеевики горизонтального пароперегревателя также расположены в кипящем слое. Регулирование температуры уходящих газов достигается перепуском части газов через байпасный газоход с шибером. Температура газов на входе в котел 850-900 °С, температура уходящих газов 420-450 °С. Паропроизводительность ЭТА 10 т/ч, давление перегретого пара 4 МПа, температура перегретого пара 440 °С.

 

Рис. 2.8. Котел-утилизатор ГТКУ-10/40:

1 - барабан; 2 - вход газов; 3 - труба в трубе;

4 - разделительная перегородка; 5 - выход газов

Рис. 2.9. Котел КС-200 ВТКУ:

1 - к пароперегревателю, расположенному в кипящем слое;

2 - от пароперегревателя; 3 - испарительный блок; 4 - ударная очистка

 

При комбинированном получении технологической и энергетической продукции – обжигового газа и пара энергетических параметров - предпочтение отдается надежной работе основного технологического звена. Существенно улучшаются и энергетические показатели обжигового устройства: на каждую тонну обожженного колчедана дополнительно вырабатывается около 1,3 т пара. Огарок, полученный после обжига колчедана, используется для нужд цветной металлургии.

Необычную конструкцию имеет котел, разработанный ОАО «Урал-энергоцветмет» (г. Екатеринбург). Котел (рис. 2.10) предназначен для охлаждения технологических газов и содержащегося в них уноса после печи для плавки медных концентратов жидкой ванне.

Рис. 2.10. Схема котла-утилизатора конструкции Уралэнергоцветмета 1 - радиационный газоход, 2 - конвективный газоход, 3 - переходный газоход, 4 - потолочные панели, 5 - блоки термосифонов, 6 - система импульсной очистки, 7 – барабан – сепаратор

Основные технические данные и характеристики: давление пара - 4,4 МПа; температура насыщенного пара – 256°С; паропроизводительность 21 т/ч; расход газов на входе в котел – 30 тыс. м³/ч; температура газов на входе в котел - 1350°С; температура газов на выходе из котла - 460°С. Состав газов на входе в котел-утилизатор (при a=1), %: SO₂ – 28; O₂ – 5; H₂O – 23; N₂ – 34; CO₂ + остальное – 10%.

Радиационный газоход котла устанавливается непосредственно над выходом из печи. Размеры в свету выхода из печи и радиационного газохода котла соответствуют друг другу и составляют 3000x4000 мм. Соединения печи и котла осуществляется через песочный затвор. Отметка нижнего фланца радиационного газохода котла соответствует 14,59 м.

В верхней части радиационного газохода расположены термосифоны в блочном исполнении. Блоки термосифонов (рис. 2.11) проходят через гильзовые прорези потолочной панели. Фланцы блока термосифонов и гильз потолочной панели соединяются сваркой, образуя газоплотный потолок.

Рис. 2.11 Блок термосифонов 1 - верхний коллектор, 2 – охлаждаемый участок термосифона (конденсатор), 3 – опоры блока, 4 – нижний коллектор, 5 – обогреваемый участок термосифона (испаритель)

Блок термосифонов радиационного газохода состоит из 20 термосифонов. Всего в радиационном газоходе расположено 5 блоков термосифонов с шагом 550 мм.

В верхней части конвективного газохода расположены поверхности нагрева, так же в виде блоков термосифонов. Всего в конвективном газоходе 15 блоков термосифонов с шагом 235 мм. В первых четырех блоках термосифонов (по ходу газов) шаг между трубами термосифонов составляет 380 мм, в остальных блоках шаг равен 190 мм. Конвективный газоход заканчивается бункером для выхода пыли.

Все панели котла дренируемы. Недренируемы в котле только термосифоны. Поэтому при остановке котла в зимнее время (при температуре ниже плюс 5°С), для исключения замораживания воды в термосифонах необходимо предусмотреть их обогрев в объеме котла.

Все экранные поверхности котла выполнены из гладкостенных цельносварных панелей, представляющих собой экранные трубы диаметром 42x5 мм с приваренным к ним с огневой стороны сплошным двусторонним швом стального листа толщиной 10 мм (огневой лист). Такая конструкция (рис. 2.12) обеспечивает меньшее загрязнение поверхностей нагрева, защищает трубы от абразивного износа, уменьшает опасность низкотемпературной коррозии.

Блоки термосифонов через свои опорные конструкции опираются на
каркас котла, при этом блоки термосифонов соединяются с потолочной частью котла через компенсаторные устройства.

Конструкция котла с термосифонами для сернокислотного производства во многих отношениях является наиболее совершенной. Теплота, поступающая от газов, вызывает испарение воды в термосифоне, возникающая при этом разность давлений побуждает пар двигаться от испарителя к конденсатору, где он конденсируется, отдавая при этом на охлаждаемом участке трубы скрытую теплоту парообразования. Среди ряда исключительных преимуществ использования термосифонов как теплопередающего устройства можно выделить: простоту конструкции, легкость регулирования и возможность передачи высоких тепловых потоков. Термосифоны не требуют энергии на перекачивание теплоносителя, кроме того, при разрыве одной или нескольких труб работоспособность котла не нарушается.

Рис. 2.12. Схема огневого листа:

1 – лист; 2 – сварной шов; 3 - труба

 

Работа котла предусмотрена на естественной циркуляции котловой
воды. Для повышения надежности циркуляции питание экранов газоходов разбивается на несколько циркуляционных независимых контуров.

 

Для очистки поверхностей блоков термосифонов от пыли котел
оборудуется системой импульсной очистки. Пыль с поверхности термосифонов стряхивается в ванну печи и в бункеры конвективного газохода.

К барабану-сепаратору подключены все циркуляционные потоки котла.

Расчет термосифонов

Рассмотрим работу отдельного термосифона, осуществляющего передачу теплоты между двумя средами с температурами газа и кипящей воды в барабане котла (рис. 2.13). Теплота от газов с температурой последовательно передается сначала к внешней поверхности испарителя тепловой трубы с , затем теплопроводностью по стенке к внутренней поверхности, имеющей температуру . На внутренней поверхности происходит кипение жидкости термосифона, при котором за счет скрытой теплоты парообразования осуществляется передача тепловой энергии пару с температурой насыщения . В зоне охлаждения теплота от пара за счет его конденсации передается внутренней поверхности трубы участка охлаждения, температура которой . Затем происходит перенос теплоты к внешней поверхности с и к нагреваемой среде (кипящей в барабане воде) с температурой t_б.

Рис. 2.13 Принципиальная схема одиночного термосифона lи - длина зоны испарения, lк - длина зоны конденсации

Определим термическое сопротивление каждого элемента в рассмотренной схеме передачи теплоты между двумя средами. Термическое сопротивление теплоотдачи от газов к стенке:

(2.1)

Здесь: - коэффициент теплоотдачи от газов к стенке, (определяется из расчета КУ); - длина зоны испарения, м; - наружный диаметр трубы, м.

Термическое сопротивление стенки теплопроводностью пренебрежимо мало и без ущерба для точности можно принять, что , а .

Термическое сопротивление при испарении теплоносителя в термосифоне:

, (2.2)

где - внутренний диаметр трубы, м; - коэффициент теплоотдачи от стенки к кипящей жидкости (при испарении).

Термическое сопротивление при конденсации теплоносителя в термосифоне:

, (2.3)

где - длина зоны конденсации, м; - коэффициент теплоотдачи при конденсации на вертикальной трубе.

И, наконец, термическое сопротивление при теплоотдаче от наружной стенки термосифона к охлаждающему теплоносителю, аналогично (2.2)

. (2.4)

 

Передаваемый трубой тепловой поток определяется по формуле:

. (2.5)

Суммарное термическое сопротивление находим по формуле:

. (2.6)

В термосифонах сравнительно большого диаметра можно считать, что кипение имеет пузырьковый характер. По данным Михеева М.А. [6] для расчета теплоотдачи при пузырьковом кипении воды может быть рекомендована следующая зависимость:

, (2.7)

где - бар; - Вт/м². Данная формула применима в диапазоне давлений от 1 до 200 бар.

При конденсации пара на внутренней поверхности термосифона конденсат выпадает в виде сплошной пленки. Средний коэффициент теплоотдачи в ламинарной области течения рассчитывается по формуле Нуссельта [7]:

, (2.8)

где r – удельная теплота парообразования. Поскольку значения коэффициентов теплоотдачи и при кипении и при конденсации зависят от температур, то после расчета суммарного теплового потока необходимо уточнить значения всех температур: ; ; ; . При этом температуры насыщения по второму и четвертому выражению должны совпадать.