Basisprincipes van de stoomketel

Basisprincipes van Steam Boiler

Een stoomketel is een gesloten container waarin water onder gecontroleerde omstandigheden wordt verwarmd om het om te zetten in stoom. Boiler is in feite een warmtewisselaar waarbij warmte wordt overgedragen aan water. Het wordt ook wel stoomgenerator genoemd. Thermische energie voor het verwarmen van water wordt geleverd door brandstof (gas, vloeibaar of vast) of door afvalenergie die beschikbaar is uit verschillende industriële processen. Soms wordt ook zonne-energie gebruikt voor de productie van stoom. Stoom die in een ketel wordt geproduceerd, kan lage druk, gemiddelde druk of hoge druk zijn. In industriële context wordt de geproduceerde stoom gebruikt als processtoom in verschillende industriële processen of voor het aandrijven van turbines voor de productie van elektriciteit. Elke ketel is ontworpen om zoveel mogelijk thermische energie over te dragen aan het water in de ketel. Warmte-energie wordt overgedragen door geleiding, convectie en straling. Het relatieve percentage van elk is afhankelijk van het type ketel, het ontworpen warmteoverdrachtsoppervlak en de brandstoffen die de verbranding aandrijven.

Er zijn grofweg twee soorten ketels. Het zijn vlampijpketels en waterpijpketels.

De vlampijpketel bestaat uit een aantal buizen waar hete gassen doorheen gaan. Deze heetgasbuizen worden in een gesloten vat ondergedompeld in water. In deze ketel zit in één gesloten vat of schaal water, waar heetgasbuizen doorheen lopen. Deze hete gasbuizen verwarmen het water en zetten het water om in stoom en de stoom blijft in hetzelfde vat. Brandbuisketels worden over het algemeen gebruikt voor relatief kleine stoomcapaciteiten en lage tot gemiddelde stoomdrukken. Deze ketels zijn compact, van een verpakte constructie en goedkoper.

Waterpijpketel is een soort ketel waarbij het water in buizen wordt verwarmd en de hete gassen eromheen. Dit is precies het tegenovergestelde van een vlampijpketel. In deze ketel stroomt ketelvoedingswater door de buizen en komt in de keteltrommel. Het circulerende water wordt verwarmd door de verbrandingsgassen en omgezet in stoom in de dampruimte in de trommel. Deze ketel wordt gebruikt wanneer zowel de stoomvraag als de stoomdrukvereisten hoog zijn, zoals in het geval van een ketel die nodig is om te voldoen aan de stoomvereisten voor industriële processen en voor energieopwekking. De kenmerken van waterpijpketels omvatten (i) voorzieningen voor geforceerde, geïnduceerde en uitgebalanceerde trek die de verbrandingsefficiëntie helpen verbeteren, (ii) minder tolerantie voor de waterkwaliteit, vandaar de noodzaak voor een waterzuiveringsinstallatie, en (iii) hogere thermische efficiëntieniveaus.

Onderdelen van een ketelinstallatie

De belangrijkste componenten van een ketelsysteem zijn waterzuiveringsinstallaties, boilervoedingswaterverwarmers, luchtafscheiders, voedingspomp, economizer, oververhitter, attemperator, stoomsysteem, condensor en condensaatpomp. Daarnaast zijn er sets bedieningselementen om de water- en stoomstroom, brandstofstroom, luchtstroom en toevoegingen van chemische behandelingen te bewaken. Schema van het stroomschema van de ketelinstallatie wordt getoond in Fig 1

                                                                Afb. 1 Schema van het stroomschema van de ketelinstallatie

In grote lijnen bestaat een ketelsysteem uit een voedingswatersysteem, stoomsysteem en brandstofsysteem. Het voedingswatersysteem levert behandeld water aan de ketel en regelt het automatisch om aan de stoomvraag te voldoen. Het stoomsysteem verzamelt en regelt de stoom die in de ketel wordt geproduceerd. Stoom wordt door een leidingsysteem naar het gebruikspunt geleid. Het brandstofsysteem omvat alle apparatuur die wordt gebruikt om brandstof te leveren om de nodige warmte op te wekken. De benodigde uitrusting hangt af van het type brandstof dat wordt gebruikt.

Voederwatersysteem

Voedingswater is het water dat aan de ketel wordt geleverd en wordt omgezet in stoom. De twee bronnen van het voedingswater zijn condensaat of gecondenseerde stoom die uit het proces wordt teruggevoerd en het suppletiewater dat het behandelde water van de waterzuiveringsinstallatie is. De belangrijkste componenten van het voedingswatersysteem zijn zoals hieronder weergegeven.

Voedingswaterverwarmer - De efficiëntie van de ketel wordt verbeterd door de extractie van restwarmte van de verbruikte stoom om het voedingswater van de ketel voor te verwarmen. Kachels zijn warmtewisselaars van het shell-and-tube type met het voedingswater aan de buiszijde en stoom aan de shell-zijde. Het condensaat wordt teruggevoerd naar de condensaatopslagtank of condensaatwarme put.

Luchtafscheiders - In voedingswater is vaak zuurstof opgelost in onaanvaardbare niveaus, die afkomstig zijn van luchtlekkage van de condensor, pompafdichtingen of van het condensaat zelf. De zuurstof wordt mechanisch verwijderd in een luchtafscheider. Luchtafscheider werkt volgens het principe dat zuurstof steeds minder oplosbaar wordt naarmate de temperatuur stijgt. Dit wordt gedaan door stoom door het voedingswater te leiden.

Economizers - Economizers zijn de laatste fase van het voedingswatersysteem. Ze zijn ontworpen om warmtewaarde uit uitlaatgassen te halen om de stoom te verwarmen en de efficiëntie van de ketel te verbeteren. Het zijn eenvoudige warmtewisselaars met lamellen. Een economiser voor voedingswater vermindert de brandstofbehoefte door warmte van het rookgas naar het inkomende water over te brengen.

Stoomsysteem

Stoomsysteem bestaat uit stoom- en moddervaten, ketelbuizen, oververhitters, verdampers en condensaatsystemen.

Stoom- en moddertrommels - Stoomtrommel is de bovenste trommel van een waterpijpketel waar de scheiding van water en stoom plaatsvindt. Stoomtrommel bevat interne elementen voor invoer van voedingswater, injectie van chemicaliën, verwijdering van spuien, niveauregeling en scheiding van stoomwater. Voedingswater komt de stoomtrommel binnen vanuit de economizer. Stoom stroomt uit de bovenkant van de trommel door stoomafscheiders. De stoomuitlaat gaat normaal gesproken van deze trommel naar een lagere trommel door een reeks stijgbuis- en neerhoekbuizen. De onderste trommel die de moddertrommel wordt genoemd, is een tank op de bodem van de ketel die de distributie van water naar de genererende buizen egaliseert en vaste stoffen verzamelt zoals zouten gevormd uit hardheid en silica.

Ketelbuizen – Ketelbuizen zijn gemaakt van hoogwaardig koolstofstaal. Buizen zijn gelast om een ​​doorlopende buiswand te vormen. Gewoonlijk wordt meer dan één rij buizen gebruikt. Buizen zijn het meest vatbaar voor storingen als gevolg van stromingsproblemen of problemen met corrosieafzetting.

Oververhitter- Stoom wanneer het de ketel verlaat, is verzadigd omdat het in evenwicht is met water bij de keteldruk en -temperatuur. Het doel van een oververhitter is om alle vocht uit de stoom te verwijderen door de temperatuur van de stoom boven het verzadigingspunt te brengen. Oververhitter voegt energie toe aan de uitlaatstoom van de ketel. De toegevoegde energie verhoogt de temperatuur en warmte-inhoud van de stoom boven het verzadigingspunt. Superverhitte stoom heeft een groter specifiek volume.

Attemperators - Attemperators regelen de mate van oververhitting. Attemperatie is het proces van gedeeltelijke desuperheating van stoom door gecontroleerde injectie van water in de oververhitte stoomstroom. Gewoonlijk wordt voedingswater van de ketel gebruikt voor de tempering.

Condensaatsystemen – Condensaat van verschillende warmtewisselaarsystemen wordt als onderdeel van het voedingswater teruggevoerd naar de ketel. Condensaten moeten echter nauwlettend worden gecontroleerd op het binnendringen van pH en zuurstof en er moet een juiste condensaatbehandeling worden toegepast.

Brandstofsysteem

Brandstoftoevoersystemen spelen een cruciale rol in de prestaties van ketels. Hun primaire functies omvatten het overbrengen van de brandstof naar de ketel en het verdelen van de brandstof in de ketel om een ​​uniforme en volledige verbranding te bevorderen. Het type brandstof beïnvloedt de werking van een brandstofsysteem. Het brandstoftoevoersysteem vormt het belangrijkste onderdeel van een ketelsysteem. Brandstoffen moeten voor verbranding worden voorbereid en naar de ketel worden getransporteerd. Het verbrandingssysteem moet zorgen voor stabiliteit van de vlam over een breed bereik van stroomsnelheden door een gunstige voorwaarde voor brandstofontsteking te creëren en aerodynamische omstandigheden te creëren die een goede vermenging tussen de primaire verbrandingslucht en de brandstof garanderen. Branders zijn de centrale elementen voor een effectief verbrandingssysteem.

Efficiëntie van de stoomketel

In stoomketels vinden enkele energieverliezen plaats, waaronder onvolledige verbranding, stralingsverlies dat optreedt door de omringende muur van de stoomketel, warmte die wordt gedragen door uitlaatgassen enz. Het rendement van de stoomketel geeft een indicatie van deze verliezen. Het rendement van de stoomketel is het percentage van de totale warmte die wordt geëxporteerd door uitlaatstoom uit de totale warmte die door de brandstof wordt geleverd, zoals hieronder weergegeven.

Stoomketelefficiëntie omvat thermische efficiëntie, verbrandingsefficiëntie en brandstof-naar-stoomefficiëntie. Het rendement van de stoomketel hangt af van vele factoren, waaronder de grootte van de ketel, het type ketel, het ontwerp van de ketel, enz.

Classificatie van stoomketel

Op basis van hun ontwerp en constructie worden stoomketels hoofdzakelijk als volgt geclassificeerd.

Verpulverde brandstofketel - De meeste kolengestookte elektriciteitscentrales en industriële waterpijpketels gebruiken poederkool. Deze technologie is goed ontwikkeld en is goed voor meer dan 90 % van de kolengestookte capaciteit. De steenkool wordt vermalen tot een fijn poeder, zodat minder dan 2% +300 micron (?m) is en 70-75% lager is dan 75 micron voor een bitumineuze steenkool. De poederkool wordt met een deel van de verbrandingslucht via een reeks brandersproeiers in de ketel geblazen. Secundaire en tertiaire lucht kunnen ook worden toegevoegd. Verbranding vindt plaats bij temperaturen van 1300-1700 deg C, grotendeels afhankelijk van de steenkoolkwaliteit. De verblijftijd van de deeltjes in de ketel is typisch 2 tot 5 seconden, en de deeltjes moeten klein genoeg zijn om gedurende deze tijd een volledige verbranding te laten plaatsvinden. Dit systeem heeft veel voordelen, zoals het vermogen om kolen van verschillende kwaliteit te stoken, snelle reacties op veranderingen in belasting, gebruik van hoge voorverwarmde luchttemperaturen, enz.

Wervelbedverbrandingsketel - In de wervelbedverbrandingsketel (FBC) is het stooksysteem ontworpen op basis van wervelbedverbranding. Het heeft aanzienlijke voordelen ten opzichte van een conventioneel stooksysteem en biedt meerdere voordelen, zoals een compact ketelontwerp, brandstofflexibiliteit, hogere verbrandingsefficiëntie en verminderde uitstoot van schadelijke verontreinigende stoffen zoals SOx en NOx. De brandstoffen die in deze ketels worden verbrand, zijn onder meer steenkool, wasafval, rijstschillen, bagasse en ander landbouwafval.

In deze ketels vindt de wervelbedverbranding (FBC) plaats bij ongeveer 840 tot 950 ° C. Aangezien deze temperatuur veel lager is dan de asfusietemperatuur, worden smelten van as en bijbehorende problemen vermeden. De lagere verbrandingstemperatuur wordt bereikt vanwege de hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt als gevolg van snelle vermenging in het gefluïdiseerde bed en effectieve onttrekking van warmte uit het bed via in-bed warmteoverdrachtsbuizen en wanden van het bed. De gassnelheid wordt gehandhaafd tussen de minimale fluïdisatiesnelheid en de meesleepsnelheid van de deeltjes. Dit zorgt voor een stabiele werking van het bed en vermijdt meeslepen van deeltjes in de gasstroom. Er zijn drie soorten wervelbedketels. Dit zijn (i) ketels met atmosferische wervelbedverbranding (AFBC), (ii) ketels voor atmosferische wervelbedverbranding (CFBC) en (iii) ketels voor wervelbedverbranding onder druk (PFBC).

Atmosferische wervelbedverbrandingsketel - In dit type ketel wordt steenkool gemalen tot een grootte van 1 - 10 mm, afhankelijk van de rangschikking van steenkool, het type brandstof dat naar de verbrandingskamer wordt gevoerd. De atmosferische lucht, die zowel als fluïdisatie- als verbrandingslucht fungeert, wordt onder druk afgeleverd, na te zijn voorverwarmd door de uitlaatgassen. De buizen in het bed die water vervoeren, fungeren over het algemeen als verdamper. De gasvormige verbrandingsproducten gaan over de oververhittersecties van de ketel, stromen langs de economizer, de stofafscheiders en de luchtvoorverwarmer voordat ze naar de atmosfeer worden afgevoerd.

Atmosferische circulatieketels met wervelbedverbranding - In een circulatiesysteem worden de bedparameters zo gehandhaafd dat de verwijdering van vaste stoffen uit het bed wordt bevorderd. Elutriatie is het proces waarbij fijne deeltjes uit een gefluïdiseerd bed worden afgevoerd vanwege de vloeistofstroomsnelheid die door het bed gaat. Deeltjes worden in een relatief verdunde fase opgetild in een stijgbuis voor vaste stoffen, en een neerwaartse hoek met een cycloon zorgt voor een retourpad voor de vaste stoffen. Er zijn geen stoomopwekkingsbuizen ondergedompeld in het bed. Opwekking en oververhitting van stoom vindt plaats in het convectiegedeelte, waterwanden en bij de uitgang van de stijgleiding. CFBC-ketels zijn over het algemeen zuiniger dan AFBC-ketels voor industriële toepassingen die meer dan 75 – 100 ton stoom per uur vereisen.

Onder druk staande wervelbedverbrandingsketel - In deze ketel levert een compressor de geforceerde treklucht en de verbrander is een drukvat. De warmteafgifte in het bed is evenredig met de beddruk en daarom wordt een diep bed gebruikt om grote hoeveelheden warmte te onttrekken. Dit verbetert het verbrandingsrendement en de opname van zwaveldioxide in het bed. De stoom wordt opgewekt in de twee buizenbundels, één in het bed en één daarboven. Hete rookgassen drijven een stroomopwekkende gasturbine aan. Het PFBC-systeem kan worden gebruikt voor warmtekrachtkoppeling (stoom en elektriciteit) of gecombineerde energieopwekking. De gecombineerde cyclus (gasturbine &stoomturbine) verbetert de algehele conversie-efficiëntie met 5 tot 8 %.

Afvalwarmteketel – Overal waar de restwarmte met gemiddelde of hoge temperatuur beschikbaar is, wordt een restwarmteketel geïnstalleerd om op een economische manier stoom te produceren. De stoom kan in een stoomturbine-generatorset worden neergelaten en daaruit stroom worden opgewekt. Het wordt veel gebruikt bij de warmteterugwinning uit uitlaatgassen.