Гэри Бейс является президентом BRIL Inc., независимой консалтинговой фирмы, специализирующейся на производстве кирпича, огнеупоров, изоляции и футеровки. Он также является автором книги Bril Book (полное руководство по кирпичным, огнеупорным, изоляционным и футеровочным системам); The Bril Book II (техническое руководство, включающее чертежи Bril для энергетики); Книга Бриля III — Книга Бриля; и The Bril Book IV – Строительство котлов. С ним можно связаться по адресу brilincbases@gmail.com.
Чем больше мы узнаем о парогенерирующей промышленности, тем больше мы можем оценить ее разнообразие и богатую историю. Большинство людей даже никогда не были на электростанциях, не говоря уже об истории энергетики. Их знание обоих распространяется только на штабеля, которые они видят на расстоянии.
Если вы спросите кого-нибудь, кому приписывают начало или изобретение автомобиля и автомобильной промышленности, он, скорее всего, ответит: «Форд». Но многие ли знают, кто основал парогенераторную промышленность? Очевидно, что автомобильная промышленность сыграла важную роль в формировании нашей страны, но не меньшее значение имеет и энергетическая промышленность.
Что такое бойлер?
Котел представляет собой коробку, образованную трубами, которая использует огонь внутри этой коробки для нагрева воды в пар. Эти трубы окружают и полностью покрывают стенки труб и область топки брилом (кирпич, огнеупор, изоляция и изоляция) материалами. Количество и размер труб, тип топлива и общие физические размеры котла будут варьироваться в зависимости от того, для чего предназначен котел (вода, пар или тепло) и отрасли, для которой он предназначен ( например, коммунальное, промышленное, медицинское).
Многие компоненты составляют или действуют как вспомогательная система для котла, чтобы удовлетворить его расчетные потребности в паре или тепле. Есть трубы, которые несут воду и/или пар по всей системе; сажеобдувочные устройства, которые защищают устройство от летучей золы или пыли, вдувая пар, воду или воздух в котел; горелки, сжигающие топливо (мазут, газ, уголь, мусор); экономайзеры, утилизирующие тепло отходящего газа и предварительно нагревающие воду, используемую для производства пара; и многие другие подобные системы, в том числе кирпичные, огнеупорные, изоляционные и футеровочные, которые помогают парогенераторному котлу быть энергоэффективным и термически эффективным.
Кто изобрел котел?
Корни паровых котлов восходят к концу 1700-х и началу 1800-х годов с развитием котла котлового типа, который просто превращал воду в пар. Воду помещали над топкой, а затем кипятили в пар. Только примерно в 1867 году, с разработкой конвекционного котла, началась парогенерирующая промышленность.
Можно спорить о том, кто разработал первый паровой котел; однако большинство согласится с тем, что Джордж Бэбкок и Стивен Уилкокс были двумя отцами-основателями парового котла. Они были первыми, кто запатентовал конструкцию своего котла, в котором использовались трубы внутри структуры со стенами из огнеупорного кирпича для производства пара, в 1867 году, и они основали компанию Babcock & Wilcox в Нью-Йорке в 1891 году. Их первые котлы были довольно маленькими, они использовали кусковой уголь. , зажигается вручную и работает с очень низким уровнем тепловложения. Сплошные стены из огнеупорного кирпича, которые образовывали ограждение агрегата, были необходимы, потому что они помогали процессу горения, переизлучая тепло обратно в зону топки.
Компания Stirling Boiler Company, принадлежащая О. С. Барберу и названная в честь улицы (Стерлинг-авеню), на которой располагалось предприятие в Барбертоне, штат Огайо, также начала производить котлы в 1891 году. Их восьмая конструкция котла Stirling называлась котлом H-типа («h» восьмая буква в алфавите) и имела кирпичную оправу. Котел Стирлинга был намного больше, чем котел Babcock & Wilcox, и в нем использовались три барабана, которые помогали циркулировать потоку воды и пара по всему котлу.
В 1907 году Stirling Boiler Company объединилась с Babcock & Wilcox Company. Они переименовали свой котел в Stirling типа H, и он стал одним из самых продаваемых котлов своего времени, вероятно, из-за его способности производить до 50,000 XNUMX фунтов пара в час.
Однако они были не единственными производителями котлов в конце 1800-х годов. Компании Grieve Grate и American Stoker Company также производили котлы аналогичной конструкции с кирпичными стенами. Оба они использовали передвижную или винтовую решетку в нижней части котла для транспортировки топлива (кускового угля) внутри котла. Когда топливо проходило внутри котла, оно сгорало, а зола или несгоревшее топливо падали в бункер. Эти две компании позже сформировали Combustion Engineering.
Company в 1912 году. Новая компания Combustion Engineering Company предложила свою версию котлов Grieve и American Stoker и назвала ее котел-источник Type E.
Рождение энергетики
С появлением этих новых типов котлов и котельных компаний по всей стране образовались коммунальные предприятия для производства и распределения электроэнергии на промышленные и жилые рынки. Во многих городах и поселках была собственная коммунальная или электрическая компания. В более крупных городах по всему городу было разбросано множество коммунальных предприятий из-за ограниченного давления пара, которое мог производить каждый котел и электрический генератор (в среднем примерно 50,000 10 фунтов пара в час на котел). Эти первые коммунальные предприятия могли иметь от 16 до XNUMX котлов на каждом объекте. Промышленные компании, которые нуждались в большом количестве электроэнергии или пара для работы своих предприятий (например, Eastman Kodak, производившая пленку и фотоаппараты в Рочестере, штат Нью-Йорк, и The Box Board Company, позднее переименованная в Packaging Corporation of America, производившая коробки для зерновые компании в Риттмане, штат Огайо) имели свои собственные паровые котлы.
Эти котлы с кирпичной стеной, иногда называемые котлами с кирпичной облицовкой, были первыми в эволюции конструкции котлов, но они были ограничены по размеру и мощности. По мере увеличения размера котла увеличивалась тепловая мощность печи, мощность котла (давление) и температура пара. Таким образом, постоянное увеличение размера топки котла повышало температуру, которой подвергался кирпич. Эти три фактора (теплоподвод, давление и температура пара) оказали непосредственное влияние на разработку конструкций топок котлов. Суровые условия печи стали превышать температурные пределы кирпичных стен, а нагрузки на конструкции стали чрезмерными, поскольку котлы становились все больше и выше. Молодой индустрии котлов нужно было отказаться от полностью кирпичной конструкции и найти альтернативную конструкцию, которая сохраняла бы тепловую и энергоэффективную эффективность котла, производила больше пара в час и обходилась дешевле в строительстве.
Это привело к конструкции котла «труба и плитка» примерно в начале 1920-х годов. В трубчатом и плиточном котле использовались большие, широко расставленные стенки труб (трубы диаметром 6 дюймов с центром в 9 дюймов), чтобы помочь снизить температуру поверхности кирпича. Это был новый и радикально отличающийся дизайн. В отличие от оригинальной конструкции котла, в которой использовались стены из огнеупорного кирпича толщиной 22 дюйма, не требующие изоляции, в трубчатом и изразцовом котле использовалась тонкая плитка (толщиной 2½ дюйма) или огнеупорный кирпич (толщиной 4½ дюйма), чтобы поддерживать огонь внутри огня. коробка и дополнительная изоляция поверх кирпича или плитки, чтобы поддерживать тепловую эффективность котла. Благодаря этой новой разработке котельная промышленность начала расти так же, как котлы начали увеличиваться в размерах и мощности.
К этому времени было гораздо больше компаний, производящих эти трубчатые и плиточные котлы: Riley Stoker, Foster Wheeler, Erie City, Zurn, Nebraska, Peabody, Keeler, Union Iron Works и The Trane Company (и это лишь некоторые из них). двумя крупнейшими по объему продаж являются Babcock & Wilcox Company и Combustion Engineering. У каждого из них были свои уникальные конструкции котлов со свободной трубчатой стенкой с несколькими типами котлов в зависимости от требуемой мощности. Чтобы сэкономить на инженерных затратах, каждая компания, производящая котлы, разработала линейку котлов, как это сделала автомобильная промышленность с Ford Model-T.
Например, компания Babcock & Wilcox разработала свою версию трубчато-керамического котла, начав со своего типа FF, который представлял собой двухбарабанный котел, способный производить до 54,000 100,000 фунтов пара в час. Для более высокой производительности они предложили модели FH, FJ, FL и FP с самой большой конструкцией и максимальной паропроизводительностью (2 8 фунтов в час). То же самое можно сказать и о Combustion Engineering Company, которая разработала свои пароперегреватели В2М9 и ВXNUMXМXNUMX (вертикальные двухбарабанные) пароперегреватели.
Следующие два наиболее важных изменения в отрасли произошли в конце 1920-х и начале 1930-х годов с введением котлов с плоской шипованной трубой и котлов со свободной стенкой. Эти две конструкции позволили котлам получить максимальное количество тепла от сжигания пылевидного угля. Трубка с плоскими шипами увеличила поверхность нагрева между трубками за счет добавления плоских шипов по всей поверхности стенки трубки. В конструкции свободной касательной трубки использовалось больше трубок, расположенных близко или по касательной (соприкасающихся друг с другом), чтобы увеличить поверхность нагрева трубок. Плоская стенка трубы с шипами требовала огнеупора, изоляции и внешнего кожуха, чтобы удерживать огонь внутри топки, тогда как в конструкции тангенциальной стенки со свободной трубкой использовался мазок огнеупора между трубами и стальной внутренний кожух поверх огнеупора.
Эти две конструкции привели к разработке более крупных котлов большей мощности, причем конструкция лучистого котла была самой большой из всех. Радиационный котел использовал один барабан и увеличенную стенку трубы и площадь поверхности пароперегревателя в обратном проходе, иногда называемую конвекционным проходом (cp) или площадью рекуперации тепла (hra), для увеличения паропроизводительности. Например:
- Babcock & Wilcox разработала лучистые или энергетические котлы: RBC (тип Radiant Boiler Carolina, названный в честь первого контракта с Carolina Power and Light) для сжигания угля, RBE (Radiant Boiler El Paso, названный в честь первого контракта с El Paso Electric) для на жидком и газовом топливе, SPB (мощный котел Стирлинга) для рынка коммунальных услуг и котел SS (малый Стирлинг) для промышленного рынка.
- Компания Combustion Engineering разработала свои радиационные и радиационные промежуточные котлы под названием VU40 и VU50 (VU для вертикальных блоков) как для коммунального, так и для промышленного рынка.
Паропроизводительность этих лучистых котлов составляла от 400,000 1,000,000 до XNUMX XNUMX XNUMX фунтов пара в час. Следовательно, небольшие электростанции, принадлежащие городам и поселкам, устарели, поскольку коммунальные предприятия теперь могли производить достаточно электроэнергии для более крупных жилых районов и промышленных предприятий.
Рост и специализация
Самое большое изменение в конструкции котла произошло с развитием стенок мембранных труб в конце 1950-х – начале 1960-х годов. Бесшовные трубы были сварены вместе в трубном цехе с использованием стального мембранного стержня между трубами и превращены в большую трубную панель. Это устранило необходимость в огнеупорах для поддержания огня внутри топки, снизило стоимость строительства, сократило сроки монтажа и увеличило размеры котлов. Конструкции лучистого котла теперь могли достигать до 4,000,000 1,300 9,000,000 фунтов пара в час. Позже промышленность разработала самые крупные из конструкций котлов — котлы универсального давления и сверхкритические. Эти паровые гиганты теперь могли вырабатывать более XNUMX мегаватт электроэнергии или XNUMX XNUMX XNUMX фунтов пара в час.
За последние 100 лет паропроизводящая промышленность модифицировала или разработала котлы, специально предназначенные для удовлетворения потребностей промышленности. Например, примерно в конце 1940-х многие медицинские, промышленные, колледжи и государственные учреждения хотели иметь возможность самостоятельно генерировать пар и электричество. В ответ на эту потребность были разработаны котлы модульной или заводской сборки. Комплектный котел — это предварительно сконструированный парогенераторный котел различных размеров и паропроизводительности (обычно от 10,000 600,000 до XNUMX XNUMX фунтов в час), построенный в цеху и доставленный по железной дороге или на барже. Многие компании производили эти небольшие котлы заводской сборки.
Другим примером являются котлы для целлюлозно-бумажной промышленности, которые существуют уже очень давно и начались с процесса регенерации сульфатов, разработанного в Данцинге, Германия, в 1853 году. В 1907 году процесс восстановления сульфатов был введен в Северной Америке. Целлюлозно-бумажной промышленности требовался котел, который мог бы генерировать большое количество пара и электричества, чтобы обеспечить работу их сушилок, помочь им стать энергетически самодостаточными и, что наиболее важно, помочь им производить корюшку. Используя конструкции, описанные выше, производители котлов разработали котел-утилизатор.
Зона топки котла-утилизатора предназначена для плавления солей натрия в черном щелоке (побочный продукт, остающийся в процессе производства целлюлозы). Капли черного щелока падают на слой угля или под печи котла, а расплавленные неорганические химические вещества или расплав остаются на поде печи и под действием силы тяжести стекают через отверстия желоба расплава в резервуар для растворения. Затем расплав будет извлекаться бумажной фабрикой для использования в переработке целлюлозы. Двумя такими конструкциями были котел-утилизатор для химической переработки Combustion Engineering, названный V2R (вертикальный двухбарабанный котел-утилизатор), и технологический котел-утилизатор Babcock & Wilcox, называемый просто котлом PR.
Новые конструкции котлов
Парогенерирующей промышленности также пришлось разрабатывать новые котлы в ответ на некоммерческие или отраслевые потребности. К концу 1970-х – началу 1980-х годов растущие затраты на утилизацию отходов на свалках, принятие Закона о политике регулирования коммунальных предприятий 1978 года и повышенный спрос на электроэнергию в Соединенных Штатах привели к разработке котлов, работающих на альтернативном топливе. Было разработано множество различных типов котлов для сжигания альтернативных видов топлива, таких как отходы (мусор), древесина и биомасса (обрезки виноградной лозы, листья, травы, бамбук и сахарный тростник или багасса). Котел, использующий технологию кипящего слоя, также был разработан как альтернативный метод сжигания твердого топлива, такого как уголь. Каждый котел, работающий на альтернативном топливе, имеет основные компоненты своих предшественников. Производители котлов модифицировали только оборудование для подачи топлива или модифицировали основные части котла, чтобы обеспечить подачу дополнительного воздуха, золы или самого топлива.
Котлы на мусоре, дровах и биомассе аналогичны бытовым радиационным котлам и промышленным котлам, работающим на угле. Они относятся к категории котлов, работающих на отходах. Они отличаются только типом мусора, древесины или биомассы, которую они сжигают, а топливо, которое они сжигают, может варьироваться в зависимости от времени года (например, осенью может приносить больше листьев). Из-за множества переменных характеристик топлива среда в нижней части топки постоянно меняется. Существует два основных метода сжигания отходов: массовое сжигание, при котором отходы используются в том виде, в котором они были получены, и подготовленные отходы или топливо, полученное из отходов (RDF), для чего отходы отделяются и сортируются, а оставшийся непереработанный материал отправляется на переработку. паровой котел. Сжигание либо массового мусора, либо RDF может вызвать серьезную коррозию на поверхности стенки трубы. Выбор правильного огнеупорного материала для нижних стен топки имеет решающее значение для эффективной работы котла и защиты труб.
Котлы с кипящим слоем имеют большинство основных компонентов всех котлов (паровой барабан, трубы, экономайзеры, пароперегреватели и т. д.). Однако его базовая конструкция отличается от большинства других конструкций котлов. Котел с псевдоожиженным слоем, в зависимости от производителя котла, может иметь циклоны (не путать с циклонной горелкой), желоба для топлива, надслойные горелки, сборные бункеры, камеры сгорания и отпарные охладители. Хотя технология газификации существует с 1920-х годов, ее использование в качестве альтернативного метода сжигания топлива для производства электроэнергии и мощности началось в конце 1970-х годов. В котле с псевдоожиженным слоем используется процесс, при котором твердое топливо взвешивается в восходящем потоке газа или воздуха в нижней части устройства. Горящее топливо существует в жидкообразном состоянии, которое имеет высокую теплопередачу, но с меньшим сокращением выбросов. Как и в котле для мусора, нижние стенки топки должны быть защищены от окружающей среды, создаваемой сжиганием топлива.
Заключение
К сожалению, электростанции часто изображаются грязными, а загрязнение воздуха попадает в воздух. Правда в том, что электростанции находятся в одних из самых красивых районов страны, вдоль рек и озер; ежегодно тратят миллионы долларов на защиту окружающей среды и своих соседей; и содержать свои объекты в чистоте и порядке. Если позволите, каждый должен посетить местную электростанцию и посмотреть, какая красивая местность вокруг станции и какая она чистая, а заодно обратить внимание на то, какой у нее котел.
Информация, содержащаяся в этой статье, была получена в основном из открытых источников, без прямого участия какого-либо производителя котлов.
Энергия горения ископаемых, Combustion Engineering, Inc., 4-е издание (1991 г.).
Пар, его генерация и использование, Компания Бэбкок и Уилкокс,
40-е издание (1992 г.).
Babcock & Wilcox — корпоративная история, Карлайлская типография,
СЗ Эфт (1999)
Огнеупоры в производстве пара, Книга Макгроу-Хилла
Компания, FH Norton (1949).
