Stoomketels: Fundamenten en toepassingen

Een stoomketel is een gesloten vat waarin water onder gecontroleerde omstandigheden wordt verwarmd om het om te zetten in stoom. Een ketel is eigenlijk een warmtewisselaar waar warmte aan water wordt overgedragen. Soms wordt het ook stoomgenerator genoemd. Thermische energie voor het verwarmen van water wordt geleverd door brandstof (gas, vloeistof of vast) of door afvalenergie beschikbaar uit diverse industriële processen. Soms wordt ook zonne-energie gebruikt voor de productie van stoom. In een industriële context wordt de geproduceerde stoom gebruikt als processtoom in diverse 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. Warmteenergie 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.

Hoofdtypes ketels

Er zijn voornamelijk twee typen ketels: rookgasbuisketels en waterbuisketels.

Rookgasbuisketel

Een rookgasbuisketel bestaat uit een aantal buizen door waar hete gassen worden geleid. Deze hete gasbuizen zijn gedompeld in water, in een gesloten vat. In deze ketel bevat één gesloten vat of mantel water, door waar de hete gasbuizen lopen. Deze hete gasbuizen verwarmen het water en zetten het om in stoom, en de stoom blijft in hetzelfde vat. Rookgasbuisketels worden doorgaans gebruikt voor relatief kleine stoomcapaciteiten en lage tot middel hoge stoomdrukken. Deze ketels zijn compact, van verpakte constructie en goedkoper.

Waterbuisketel

Een waterbuisketel is een ketel waarbij het water binnenin de buizen wordt verwarmd en de hete gassen ze omringen. Dit is het tegenovergestelde van een rookgasbuisketel. In deze ketel stroomt het ketelvoedwater door de buizen en gaat naar de keteltrommel. Het gecirculeerde water wordt verwarmd door de verbrandingsgassen en omgezet in stoom in de dampruimte in de trommel. Deze ketel wordt gebruikt wanneer de stoomvraag en stoomdrukeisen hoog zijn, zoals bij ketels nodig voor industriële processen en stroomopwekking. Kenmerken van waterbuisketels omvatten: (i) gedwongen, geïnduceerde en gebalanceerde trekvoorzieningen die helpen de verbrandingsefficiëntie te verbeteren, (ii) mindere tolerantie voor waterkwaliteit, wat een waterbehandelinginstallatie noodzakelijk maakt, en (iii) hogere thermische efficiëntieniveaus.

Componenten van een ketelsysteem

De hoofcomponenten van een ketelsysteem zijn: waterbehandelinginstallatie, ketelvoedwaterverwarmers, ontluchters, voederpomp, economizer, oververhitter, attemperator, stoomsysteem, condenser en condensaatpomp. Daarnaast zijn er sets besturingen om water- en stoomstroom, brandstofstroom, luchtstroom en chemische behandelingstoevoegingen te monitoren. Een schematisch stroomdiagram van de ketelinstallatie is getoond in Figuur 1.

Breed gezien bestaat een ketelsysteem uit een voedwatersysteem, stoomsysteem en brandstoffensysteem. Het voedwatersysteem levert behandeld water aan de ketel en regelt het automatisch om de stoomvraag te voldoen. Het stoomsysteem verzamelt en controleert de in de ketel geproduceerde stoom. Stoom wordt geleid door een leidingsysteem naar het gebruikspunt. Het brandstoffensysteem omvat alle apparatuur gebruikt om brandstof te leveren voor de benodigde warmteopwekking. De benodigde apparatuur hangt af van het type brandstof dat gebruikt wordt.

Voedwatersysteem

Voedwater is het water dat aan de ketel wordt geleverd en omgezet in stoom. De twee bronnen van voedwater zijn condensaat of gecondenseerde stoom teruggekeerd uit het proces en het aanvulwater dat het behandelde water is uit de waterbehandelinginstallatie. De hoofcomponenten van het voedwatersysteem zijn als volgt.

Voedwaterverwarmers

Ketelefficiëntie wordt verbeterd door de winning van afvalwarmte uit de uitgeputte stoom om het ketelvoedwater te pre-verwarmen. Verwarmers zijn van het mantel-en-buistype warmtewisselaars met het voedwater aan de buizijkant en stoom aan de mantelzijde. Het condensaat wordt teruggevoerd naar de condensaatopslagtank of condensaat-put.

Ontluchters (Deaerators)

Voedwater heeft vaak zuurstof opgelost in onacceptabele niveaus, wat afkomstig is uit luchtlekken uit de condenser, pompafdichtingen of uit het condensaat zelf. De zuurstof wordt mechanisch verwijderd in een ontluchter. Een ontluchter werkt op het principe dat zuurstof minder oplosbaar is naarmate de temperatuur stijgt. Dit wordt gedaan door stoom door het voedwater te laten stromen.

Economizers

Economizers zijn de laatste trap van het voedwatersysteem. Ze zijn ontworpen om warmtewaarde uit de rookgassen te winnen om de stoom te verwarmen en de efficiëntie van de ketel te verbeteren. Ze zijn eenvoudige geribbelde buis warmtewisselaars. Een voedwatereconomizer verlaagt de brandstofbehoefte door warmte over te dragen van de rookgassen aan het binnenkomende water.

Stoomsysteem

Het stoomsysteem bestaat uit stoom- en moddertrommels, ketelbuizen, oververhitters, attemperatoren en condensatsystemen.

Stoom- en moddertrommels

De stoomtrommel is de bovenste trommel van een waterbuisketel waar de scheiding van water en stoom plaatsvindt. De stoomtrommel bevat interne elementen voor voedwaterinvoer, chemische injectie, afblaasverwijdering, peilregeling en stoom-waterscheiding. Voedwater komt de stoomtrommel binnen vanuit de economizer. Stoom stroomt uit via de bovenkant van de trommel door stoomscheiders. De stoomaafvoer gaat normaal vanaf deze trommel naar een lagere trommel via een set stijg- en daalderbuizen. De lagere trommel, de moddertrommel, is een tank aan de onderkant van de ketel die de verdeling van water naar de opwekkingsbuizen equaliseert en vastestoffen verzamelt zoals zouten gevormd uit hardheid en silica.

Ketelbuizen

Ketelbuizen zijn gefabriceerd uit hoogsterkte koolstofstaal. Buizen zijn gelast om een continue muur van buis te vormen. Meestal wordt meer dan één bank buizen gebruikt. Buizen zijn het meest vatbaar voor falen door stroomproblemen of corrosie-afzettingsproblemen.

Oververhitter (Superheater)

Stoom wanneer het de ketel verlaat is verzadigd, omdat het in evenwicht is met water bij de keteldruk en -temperatuur. Het doel van de oververhitter is om alle vochtinhoud uit de stoom te verwijderen door de temperatuur van de stoom boven zijn verzadigingspunt te brengen. De 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. Oververhitte stoom heeft een groter specifiek volume.

Attemperatoren

Attemperatoren controleren de graad van oververhitting. Attemperatie is het proces van partiële desuperheating van stoom door gecontroleerde injectie van water in de oververhitte stoomstroom. Meestal wordt ketelvoedwater gebruikt voor attemperatie.

Condensatsystemen

Condensaat van diverse warmtewisselaarsystemen wordt teruggevoerd naar de ketel als onderdeel van het voedwater. Condensaten moeten echter nauwgezet worden gemonitord op pH en zuurstofintrusie en een passende condensaatbehandeling moet worden toegepast.

Brandstoffensysteem

Brandstofvoedsystemen spelen een cruciale rol in de prestaties van ketels. Hun primaire functies omvatten de overdracht van de brandstof in de ketel en de verdeling van de brandstof binnen de ketel om uniforme en complete verbranding te bevorderen. Het type brandstof beïnvloedt de operationele kenmerken van een brandstoffensysteem. Het brandstofvoedsysteem vormt de meest significante component van een ketelsysteem. Brandstoffen moeten voorbereid worden voor verbranding en getransporteerd naar de ketel. Het verbrandingssysteem moet stabiliteit van de vlam garanderen over een breed bereik aan stroomsnelheden door een gunstige conditie voor brandstofontbranding te creëren en aerodynamische condities tot stand te brengen die een goede menging tussen de primaire verbrandingslucht en de brandstof waarborgen. Brander zijn de centrale elementen voor een effectief verbrandingssysteem.

Stoomketel-efficiëntie

In een stoomketel treden energietverliezen op die onder andere omvatten: onvolledige verbranding, stralingsverlies van de ketelomhulling, warmte meegevoerd door rookgassen, etc. De efficiëntie van de stoomketel geeft een indicatie van deze verliezen. Stoomketel-efficiëntie is het percentage van de totale warmte uitgevoerd door de uitlaatstoom ten opzichte van de totale warmte geleverd door de brandstof.

Stoomketel-efficiëntie omvat thermische efficiëntie, verbrandingsefficiëntie en brandstof-tot-stoom efficiëntie. De efficiëntie hangt af van veel factoren waaronder de grootte van de ketel, type ketel, ontwerp van de ketel, etc.

Classificatie van stoomketels

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

Gepulveriseerde brandstofketel

De meeste kolengestookte elektriciteitscentrales en industriële waterbuisketels gebruiken gepulveriseerd kolen. Deze technologie is goed ontwikkeld en telt voor meer dan 90% van de kolengestookte capaciteit. De kolen wordt gemalen tot een fijn poeder, zodat minder dan 2% +300 micron (µm) is en 70-75% onder de 75 micron voor bitumineuze kolen. De gepulveriseerde kolen wordt geblazen met een deel van de verbrandingslucht in de ketel door een reeks branderduizen. Secundaire en tertiaire lucht kan ook worden toegevoegd. Verbranding vindt plaats bij temperaturen van 1300-1700 °C, afhankelijk van de kolenkwaliteit. De verblijftijd van deeltjes in de ketel is typisch 2 tot 5 seconden, en de deeltjes moeten klein genoeg zijn voor complete verbranding tijdens deze tijd. Dit systeem heeft veel voordelen zoals de mogelijkheid om varierende kwaliteit kolen te verbranden, snelle reactie op lastveranderingen, gebruik van hoge voorverhitte luchttemperaturen, etc.

Vloeibedverbrandingsketel (Fluidized Bed Combustion)

In de vloeibedverbrandingsketel (FBC) is het stooksysteem gebaseerd op vloeibedverbranding. Het heeft significante voordelen ten opzichte van conventionele stooksystemen en biedt meerdere voordelen zoals compact ketelontwerp, brandstoflexibiliteit, hogere verbrandingsefficiëntie en gereduceerde emissie van schadelijke verontreinigingen zoals SOx en NOx. De in deze ketels verbrande brandstoffen omvatten kolen, wasserijafval, rijsthulp, bagasse en andere landbouwafvalstoffen.

In deze ketels vindt de vloeibedverbranding plaats bij ongeveer 840 tot 950 °C. Omdat deze temperatuur veel onder de as-smelttemperatuur ligt, worden smelting van as en geassocieerde problemen vermeden. De lagere verbrandingstemperatuur wordt bereikt door de hoge warmteoverdrachtscoëfficiënt door snelle menging in het vloeibed en effectieve warmtewinning uit het bed door in-bed warmteoverdrachtsbuizen en wanden van het bed. De gassnelheid wordt gehandhaafd tussen de minimale vloeibaarsnelheid en de deeltjes-entrrainmentsnelheid. Dit zorgt voor stabiele bedrijfsvoering van het bed en voorkomt deeltjesentrrainment in de gasstroom. Er zijn drie typen vloeibedketels: (i) atmosferische vloeibedverbranding (AFBC) ketel, (ii) atmosferische circulatie vloeibedverbranding (CFBC) ketel, en (iii) gepresuriseerde vloeibedverbranding (PFBC) ketel.

Atmosferische vloeibedverbrandingsketel (AFBC)

In dit type ketel wordt kolen gekneusd tot een grootte van 1-10 mm, afhankelijk van de rang van de kolen, type brandstof toegevoerd aan de verbrandingskamer. De atmosferische lucht, die fungeert als zowel vloeibairings- als verbrandingslucht, wordt geleverd onder druk, na voorverhitting door de uitlaatgassen. De in-bed buizen die water dragen fungeren doorgaans als de verdamper. De gasvormige verbrandingsproducten passeren de oververhittersecties van de ketel, stromen langs de economizer, de stofafscheiders en de luchtvoorverhitter voordat ze naar de atmosfeer worden uitgeblazen.

Atmosferische circulatie vloeibedverbrandingsketels (CFBC)

In een circulatieysteem worden de bedparameters zo gehandhaafd dat vaste stoffen uit het bed worden geëlutrieerd. Elutriatie is het proces waarbij fijn deeltjes uit een vloeibed worden meegenomen door de vloeistroomsnelheid door het bed. Deeltjes worden getild in een relatief gedilueerde fase in een vaste stof riser, en een daalder met een cycloon biedt een terugkeerpad voor de vaste stoffen. Er zijn geen stoomopwekkingsbuizen gedompeld in het bed. Opwekking en oververhitting van stoom vindt plaats in de convectiesectie, waterwanden en aan de uitgang van de riser. CFBC-ketels zijn doorgaans meer economisch dan AFBC-ketels voor industriële toepassingen die meer dan 75-100 ton/uur stoom vereisen.

Gepresuriseerde vloeibedverbrandingsketel (PFBC)

In deze ketel levert een compressor de gedwongen trek lucht en is de verbrander een drukvat. De warmtevrijgavesnelheid in het bed is evenredig aan de beddruk en daarom wordt een diep bed gebruikt om grote hoeveelheden warmte te winnen. Dit verbetert de verbrandingsefficiëntie en zwaveldioxideabsorptie in het bed. De stoom wordt gegenereerd in twee buisbundels, één in het bed en één erboven. Hete rookgassen drijven een stroomopwekkende gasturbine. Het PFBC-systeem kan gebruikt worden voor warmtekrachtkoppeling (stoom en elektriciteit) of gecombineerde cyclus stroomopwekking. De gecombineerde cyclus operatie (gasturbine & stoomturbine) verbetert de algehele conversie-efficiëntie met 5 tot 8%.

Afvalwarmteketel

Waar ook altijd afvalwarmte beschikbaar is op middelbare of hoge temperaturen, wordt een afvalwarmteketel geïnstalleerd om economisch stoom te produceren. De stoom kan ontspannen worden in een stoomturbine-generator set en vermogen geproduceerd worden. Het wordt breed gebruikt in warmteherwinning van uitlaatgassen.